ProKlim - Prognosegesteuerte Gebäudeklimatisierung

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Ausgangssituation/Motivation

Die Verwendung aktueller Wetterdaten wie Außentemperatur für witterungsgeführte Regelungen von Gebäudeheizungen, -kühlungen und -klimatisierungen ist mittlerweile in der Gebäudetechnik Standard. Anlagen, die für die Regelung auch Wetterprognosen verwenden, gibt es bisher jedoch nur vereinzelt und in Form von Forschungs- oder Pilotprojekten, obwohl mit der Einbindung von Wetterprognosen in bestehende Systeme auf relativ einfache und kostengünstige Weise Energie eingespart und damit verbunden CO2-Emissionen reduziert werden könnten.

Inhalte und Zielsetzungen

Die UBIMET GmbH untersuchte daher zusammen mit dem Projektpartner Austrian Institute of Technology (AIT) das grundsätzliche Energieeinsparungspotenzial in gewerblich genutzten Gebäuden unter Einbindung von Wetterprognosen als Regelgröße. Dabei sollte die Größenordnung der potenziellen Energieersparnis in Form von eingesparter Energie, Kosten und CO2-Emission ermittelt und hinsichtlich der Qualität der Prognose und der Lage des Gebäudes für die einzelnen Faktoren im Detail separiert werden. Das AIT führte hierfür thermodynamische Gebäudesimulationen an einem Bürogebäude nach Passivhausstandard in Wien, der sogenannten ENERGYbase, durch. Die meteorologischen Eingangsdaten stammten aus unterschiedlichen Regionen von Österreich, um unterschiedliche Standorte des Testgebäudes zu simulieren.

Neben der generellen Frage, ob es überhaupt ein Einsparungspotenzial gibt und wenn ja unter welchen Bedingungen, interessierte auch die Frage nach der Integration der Wetterprognosen in die Gebäudeautomation und dem Marktpotenzial zur Integration von Wetterprognosen in Gebäuderegelungs- und -automationssysteme. Daher befasste sich die Studie auch mit dem Entwurf eines offenen Konzeptes zur Integration von Wetterprognosen in die Gebäudebeheizung und -klimatisierung. Im Rahmen der Machbarkeitsstudie führte der Projektpartner ee-consult eine detaillierte Analyse der technologischen Möglichkeiten durch.

Methodische Vorgehensweise

Einer der aufwändigsten Schritte im Projekt war die thermodynamische Gebäudesimulation des ENERGYbase. Hierfür erstellte das AIT ein sehr detailreiches Gebäudemodell mit insgesamt 68 thermischen Zonen bestehend aus ca. 750 Wand-, Decken- und Bodenelementen und ca. 150 Fensterflächen. Die thermische Simulation wurde mit der Simulationssoftware TRNSYS 17 durchgeführt.

Die Validierung des Modells erfolgte mit Monitoringdaten aus dem Gebäude. Bereits erste Simulationen zeigten, dass der meteorologische Parameter, der das Innenklima von Passivhäusern am meisten beeinflusst, die direkte solare Einstrahlung ist. Die Außenlufttemperatur spielte aufgrund der guten Dämmung von Passivhäusern kaum eine Rolle.

Da die an Wetterstationen gemessene Strahlung der Globalstrahlung entspricht, stellte sich für UBIMET die Aufgabe, die gemessene Globalstrahlung in direkte und diffuse Strahlung mit Hilfe von Modellen aufzuteilen. Sowohl für die Trennung der gemessenen Globalstrahlung als auch für die prognostizierte Globalstrahlung in direkte und indirekte Strahlung konnte eine geeignete Methode gefunden werden. Die Genauigkeit der Wetterprognosen wurde je nach Standort zwischen 38% bis 98% (Prozent der Übereinstimmung zwischen prognostizierten und gemessenen Tagessummen der Globalstrahlung) bestimmt.

Durch die Simulation verschiedener Szenarien (unterschiedliche Prognosequalität, unterschiedliche geographische Lage, unterschiedliche Wettersituationen) wurden die einzelnen Einflussgrößen des Gebäudes, des Wetters und der internen Lasten, die die Temperatur im Gebäude beeinflussen, ermittelt.

Für die Analyse des Gebäudestandards und des Marktpotenzials für wetterprognosegesteuerte Regelung in Österreich wertete ee-consult öffentliche Datenbanken und Studien aus. Im Bereich Wohnbau wurden umfangreiche Datenbestände ermittelt. Für Nichtwohngebäude hingegen liegen in Österreich praktisch keine verwertbaren Daten vor.

Für die der Studie zugrundeliegenden Objekttypen (Büro- und öffentlich genutzte Gebäude) konnten verwertbare und flächendeckende Daten sowie Benchmarkergebnisse (Verbrauche je Gebäudekategorie) vor allem aus Deutschland verwendet werden. Nicht zuletzt fehlt in Österreich eine verpflichtende Kategorisierung des Gebäudebestandes. Einzig durch die Statistik Austria wurde im Zuge der letzten Volkszählung eine rudimentäre Zuordnung von Nichtwohngebäuden vorgenommen. Da die Ergebnisse aus Deutschland auch von der Energie-Agentur und dem klima:aktiv Programm in Österreich angewandt werden, wurden diese als Grundlage für die Auswertungen für ProKlim verwendet.

Über den Standard der Ausrüstung des Gebäudebestandes mit Gebäudeleittechnik bzw. Regelungstechnik stehen keine öffentlichen Daten zur Verfügung. Zur Einschätzung des Markpotenzials für die Integration von Wetterprognosen wurde daher auf direkte Gespräche mit Automatisations-Ausrüstern von Gebäuden zurückgegriffen. Auf Basis der hierbei erhaltenen Daten und Informationen sowie einer öffentlich zugänglichen Studie aus der Schweiz konnte eine grundlegende Einschätzung des Potenzials und der Integrationsmöglichkeiten erarbeitet werden.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Über den gesamten Betrachtungszeitraum ist die Tendenz erkennbar, dass eine prognosegeführte Regelung Einsparung im Heizenergiebedarf ermöglicht. Betrachtet man einzelne Tage und unterschiedliche geographische Regionen schwanken die Einsparungen allerdings stärker und in einzelnen Fällen kann es durch Fehlprognosen auch zu leicht erhöhtem Energieverbrauch kommen (+2%). Insgesamt konnte für die einzelnen untersuchten Tage ein Energieeinsparpotenzial bis zu 40% ermittelt werden, wenn eine ideale Prognose der direkten Sonneneinstrahlung in der Einstellung der Wärmepumpe berücksichtigt wurde, bzw. bis zu 28%, wenn reale Prognosen der direkten Sonnenstrahlung berücksichtigt wurden. Diese Werte beziehen sich aber auf speziell ausgesuchte Tage, an denen große Unterschiede in der Einstrahlung zwischen Vormittag und Nachmittag herrschten und somit bei richtiger Progose die größten Einsparungen möglich waren. Für das gesamte Jahr betrachtet, würden die prozentualen Einsparungen geringer ausfallen.

Sehr interessant sind die Unterschiede zwischen realer und idealer Prognose, die nicht wie bei Projektantrag erwartet größere Unterschiede im Gebirge und geringere Unterschiede in flachen Regionen zeigten. Die Unterschiede im Engergiebedarf sind sicher auf die geographische Lage zurückzuführen, aber man kann keine generelle Aussage für Standorte in unterschiedlichem Relief treffen. Trotz der größeren Fehler können aber reale Prognosen auch in den gebirgigen Regionen noch zu Energieeinsparungen beitragen.

Die Ergebnisse der Umrechnung der Energieersparnis durch prädiktive Gebäudesteuerung in eingespartem CO2-Ausstoß ergab in der Summe für die dargestellten acht Szenarien-Tage Werte von bis zu 850 kg CO2 bei idealer Prognose und bis zu 620 kg CO2 bei realer Prognose.

Basierend auf den Untersuchungen des Projektes konnte abgeleitet werden, dass die Änderung der Außentemperatur in Gebäuden mit gutem Dämmstandard wie z.B. beim Passivhaus eher eine untergeordnete Rolle in der Wetterprognose unterstützten Gebäudeautomatisierung zufällt. Der direkten Strahlung und dem damit zusammenhängenden solaren Eintrag in das Gebäude wird hingegen eine wichtige Rolle in der Regelungsentscheidung zuteil. Weiterführend lässt sich aus diesen Erkenntnissen die Übertragbarkeit der Ergebnisse herleiten. Eine Wetterprognose unterstützte Regelung wird ihre Wirkung dann voll entfalten können, wenn ein träges Verteilsystem für Heizung und/oder Kühlung vorliegt und solare Architektur eine Rolle spielt. Eine sinnvolle Anwendung ist somit im komplexen Zusammenspiel von thermischer Trägheit und kontrollierter Nutzung von solaren Gewinnen zu suchen.

Ausblick

Aufgrund des Grundlagenforschungscharakters des Projektes konnte nur in begrenzter Weise die Frage nach Energieeinsparpotenzialen in der Gebäudesteuerung durch die Verwendung von Wetterprognosen untersucht werden. Die Ergebnisse bilden daher nur einen Teilausschnitt aus der ganzen Komplexität im Zusammenspiel von Regelung, Versorgungssystemen und solarer Architektur. Die Übertragung dieser Ergebnisse auf die Gesamtheit der österreichischen Gebäude, bzw. selbst auf die Gesamtheit vergleichbarer Gebäude in Österreich, ist nur sehr eingeschränkt möglich. Auch konnte keine tatsächliche Integration von Wetterprognosen in ein bestehendes System realisiert werden. Die Ergebnisse weisen aber eindeutig ein Einsparpotenzial nach, welches es Wert ist, weiter untersucht zu werden.

Hierfür müssten dann aber andere Tools und Methoden verwendet werden. So ist das hier gewählte Tool (TRNSYS 17) zur Berechnung dieser Aufgabenstellung in seinen Fähigkeiten und seiner Anwendbarkeit an seine Grenzen angelangt. Für eine weiterführende und umfassendere Betrachtung sollte ein neuer Ansatz in der Methode der Modellierung gefunden werden, um die Idee der Wetterprognose unterstützten Regelung zu einer experimentellen Anwendung zu bringen. Auch sollte versucht werden, nicht nur die Heiz- und Kühlsysteme zu betrachten, sondern auch Energiegewinne durch gebäudeintegrierte Stromerzeugung (PV, Wind) zu integrieren.

Projektleiter

DI Mario Kahn
UBIMET GmbH

Mitarbeiter

Fernando Carreras

Projekt- und Kooperationspartner

• DI Christian Hettfleisch, Ing. Emanuel Gstach
  AIT Energy Department
• Dr. Daniela Knorree-consult GmbH
  ee-consult GmbH

Dipl.-Ing. Mario Kahn
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