RLT-Opt – Lüftungs- und Klimaanlagen ganzheitlich optimieren

Förderkennzeichen: 03EN1037A

Laufzeit: 04/2021–03/2024

Partner: FraunhoferIOSB, BUILDING Consultants + Innovators GmbH, IBDM GmbH, Effizienzbörse Deutschland GmbH

Projektwebseite: www.rlt-opt.de

Konsortium:https://www.iosb.fraunhofer.de/de/projekte-produkte/rlt-opt-lueftungsanlagen-klimaanlagen-optimieren/konsortium.html

Weitere:https://effizienzboard.de

Digitale Anwendung(en):Betriebsoptimierung, Dashboards

Ziele:Informationsvermittlung, Energieeffizienzsteigerungen, Verbrauchs- und Kostenminimierung, Lebensdauerverlängerung

Strategien:Informations- und Wissensvermittlung; Austausch von Geräten; Manuelles Einstellen von Geräten; Frühzeitige Fehlererkennung

Relevanz:Hohe positive Umweltwirkungen (Energieeinsparungen)

Problemstellung und Problemziele
Das Projekt RLT-Opt adressiert das Problem ineffizienter raumlufttechnischer Anlagen (RLT-Anlagen) in deutschen Nichtwohngebäuden. Der Projektverbund schätzt, dass die ca. 400.000 Teilklima- und 600.000 mittleren bzw. großen Lüftungsanlagen im Gebäudebestand etwa 40 TWh/a Strom verbrauchen, was ca. 8 % des deutschen Gesamtverbrauchs ausmacht (Stand: 2022). Trotzdem ist die Anzahl an Anlagen, bei denen energetische Inspektionen durchgeführt wurden, gering (etwa 25.000 Anlagen). Bei diesen Anlagen
werden häufig hohe Energieeinsparpotenziale durch die Optimierung der Wärme-, Kälte-, und Stromverbräuche identifiziert. Grundsätzlich liegen jedoch bisher zu wenig Daten zu den Betriebsständen von RLT-Anlagen vor, da bei Anlagenerrichtung häufig auf Monitoring-Komponenten verzichtet wird. Hinsichtlich der energetischen Inspektionen von RLT-Anlagen wurde bereits in älteren Studien für ca. 50% aller Anlagen eine optimierte Regelstrategie und für ca. 40% der Anlagen eine Erweiterung der Sensorik empfohlen, um so Einsparpotenziale zu heben. Das Hauptproblem besteht folglich darin, dass bei den meisten Anlagen unklar ist, ob der Energieverbrauch im Betrieb notwendig für das Erreichen der gewünschten Ziele wie bspw. einer bestimmten Lüftungsleistung ist. Hier setzt das Projekt an und zielt darauf ab, mittels eines mobilen und stationären Monitoringkonzepts Schwachstellen in RLT-Anlagen zu analysieren, Einsparpotenziale zu identifizieren, ableitende Kennzahlen zu ermitteln und diese anwender*innennah darzustellen. Durch diese Maßnahmen soll daraufhin der Betrieb optimiert und Energie, Kosten und CO2 eingespart werden. Weitere Ziele, die mit dem optimierten Anlagenbetrieb einher gehen, umfassen die Steigerung der Ressourceneffizienz und die Verlängerung der Lebensdauer der RLT-Anlagen. Mit der Anwendung des mobilen Monitoringsystem, welches zeitlich begrenzt eingesetzt wird und auf einem geringen Materialinput basiert, können bereits hohe positive Umweltwirkungen verbunden sein. Die gesammelten Daten werden z.B. in Excel-Checklisten aufbereitet und ausgewertet, sodass Anlagenbetreiber*innen bereits frühzeitig fundierte Entscheidungen treffen können (z.B. Anpassung des Betriebs, Austausch von Komponenten/Anlagen etc.). Für das umfangreicherer stationäre Monitoringsystem setzt das Projekt auf Dashboards als strategisches Instrument zur Informationsvermittlung. Durch Infografiken zu Betriebszuständen und Aufarbeitung von Kennzahlen sollen Betreibende von Anlagen, Gebäudeleittechniker*innen und Energiemanager*innen dazu befähigt werden, den Anlagenbetrieb eigenständig und fortlaufend energiesparend anzupassen. Die Optimierung des Betriebs erfolgt beispielsweise durch bedarfsgerechte Anpassung der Betriebszeiten, der Volumenströme der RLT-Anlagen sowie von Schwellwertparametern, welche für die Aktivierung/Deaktivierung von bestimmten Betriebsmodi wesentlich sind. Konkret wurden im Projekt vier unterschiedliche Liegenschaften als Demonstrationsgebäude untersucht: zwei kleine Industriebetriebe, ein Krankenhaus und ein großer Bürogebäudekomplex. Dementsprechend ist auch die verbaute Technik sehr unterschiedlich und verschieden komplex. Auch die Kommunikation und Aufgabenteilung der beteiligten Personen seitens der Liegenschaften ist stark heterogen: Bei den größeren Liegenschaften fehlt häufig der Kontakt zu Expertiseträger*innen: Während bei kleineren Liegenschaften Ansprechpartner*innen mit umfassenden Kompetenzen und Aufgaben leichter zu erreichen sind und bei Bedarf auch auf die Anlagen zugegriffen werden kann, erweist sich dies bei den größeren häufig als schwierig.
Umsetzung im Projekt
Im Rahmen des Projekts wurden verschiedene Ansätze verfolgt, um Potenziale zu heben und die Effizienz der raumlufttechnischen Anlagen zu steigern. Eine zentrale Stellschraube war die einfache Regelungsoptimierung nach den Normen DIN EN 15232 und ISO 52120. Hierbei erfolgte eine Gesamtsystembetrachtung, um den Volumenstrom des Ventilators aus Basis eines Soll-Ist-Vergleichs zu minimieren. Bedarfsgerechte Anpassungen der Betriebszeiten und Volumenströme im fortlaufenden Betrieb wurden ebenfalls umgesetzt. Zusätzlich wurden umfangreichere Optimier
ungsmaßnahmen auf Grundlage von Monitoring-Daten durchgeführt, um beispielsweise gleichzeitiges Heizen und Kühlen zu verhindern.

Für die technische Umsetzung kamen zwei Varianten des Monitorings zum Einsatz. Ein mobiles Monitoring wurde zur Erfassung und Bewertung des Status-Quo genutzt, während ein stationäres Monitoring mit festverbauten Komponenten zusätzliche Einblicke in den Betrieb und eine kontinuierliche Betriebsoptimierung ermöglichte. Das mobile Monitoring erfordert weniger Komponenten. Der Ressourcen-Energiebedarf der Technik für das mobile Monitoring wird im Projekt als sehr gering eingeschätzt. Er beläuft sich auf wenige zusätzliche Sensoren und Zähler. Nichtsdestotrotz lassen sich bereits mit dem mobilen Monitoring enorme Einspareffekte erzielen, insbesondere in Bezug auf die Funktionalität und Dimensionierung der Anlagen bzw. deren Betriebsparameter.

Die Implementierung des stationären Monitorings erforderte wiederum zusätzliche Hardware und einen höheren Datenaufwand. Dabei gilt grundsätzlich, dass Art und Anzahl der zusätzlich notwendigen Komponenten stark von der Größe und Grundausstattung der Liegenschaft sowie von den dortigen Anlagen abhängt. Mit der Aufnahme detaillierter Betriebszustände sind dann jedoch tiefergehende Analysen möglich, mit denen weitere Einsparpotenziale erst erschlossen werden können.
Evaluation
Als positive Umweltwirkungen wurden im Projekt vor allem Energie- und CO2-Einsparungen angestrebt. Die Quantifizierung dieser Wirkungen wurde mittels eines Vorher-Nachher-Vergleichs tatsächlicher Energiemengen versucht, der sich auf unterschiedliche Zeiträume erstrecken kann (in Abh. des jeweiligen Monitoringkonzepts – mobil und/oder stationär). Im Allgemeinen wurden Kennwerte zur Anlagenbewertung in Anlehnung an DIN SPEC 15240 und DIN 18599 gebildet. Einsparungen wurden teilweise messtechnisch
nachgewiesen und teilweise über Hochrechnungen nach allgemeinen physikalischen Regeln bewertet, wobei um Wettereinflüsse gewichtete Bereinigungen vorgenommen wurden. Darauf aufbauend wurden die CO2-Einsparungen ausgehend von den, vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle veröffentlichten, Emissionsfaktoren für Energieaudits berechnet.1

Die erzielten Ergebnisse der Optimierung nach den Normen DIN EN 15232 und ISO 52120 waren bemerkenswert mit durchschnittlichen Stromeinsparungen von durchgängig > 30 %. Gerade das grundsätzliche Einstellen des Volumenstroms (Soll-Ist Abgleich, Anpassen der Betriebszeiten etc.) stellt dabei eine einfach umzusetzende Maßnahme dar, welche sich bereits unter Einsatz des mobilen Monitorings – also unter minimalen Einsatz von Messtechnik und Ressourcen – durchführen lässt. Bei einigen Anlagen können die somit erzielten Einsparungen auch noch deutlich höher als die mittleren 30 % ausfallen. Denn bereits bei einer Verringerung des Volumenstroms um 20 % halbiert sich die Leistungsaufnahme. So konnte der Volumenstrom für die Belüftung des Kellerbereichs einer Beispielliegenschaft um 39 % gesenkt werden, was eine Reduktion des Strombedarfs um 78 % bewirkte. Jährlich können somit ca. 270 MWh bzw. 198 tCO2eqeingespart werden. Mit der Feinjustierung der Anlagen in Abhängigkeit der Raumbelegung/Raumnutzung lassen sich dann weitere Effizienzpotenziale erschließen. Dafür wird jedoch das stationäre Monitoring notwendig, da längere Zeiträume betrachtet werden müssen. Eine weitere positive Umweltwirkung die mit der Optimierung des Betriebs einhergeht: durch die geringe Nutzung, verschleißen die Anlagen auch weniger. Dadurch kann die Lebensdauer deutlich gesteigert werden. Der Projektverbund geht hier von möglichen Lebensdauersteigerungen von bis zu 10 Jahren aus. Ressourcen werden somit länger genutzt und Emissionen vermieden. Ebenso wird die Fehlererkennung vereinfacht bzw. verfrüht, was dazu führen kann, die Anlagen schneller und effektiver zu warten bzw. instand zu halten. Negative Umweltauswirkungen der digitalen Anwendungen wurden nicht mit in die Bilanz einbezogen. Je nach vorhandener Anlagentechnik und Gebäudeleittechnik fallen die Emissionen, hervorgerufen durch das Monitoring sowie die Datenverarbeitung, in den einzelnen Liegenschaften unterschiedlich hoch aus. Am Beispiel des großen Bürogebäudekomplexes (größte untersuchte Liegenschaft): hier wurden über hundert zusätzliche Sensoren (Lufttemperatur, Bestrahlungsstärke, Luftfeuchte, Präsenzmelder, CO2, Druck) ca. 50 Zähler (Strom, Volumenstrom, Wärmemengen), mehrere Kommunikationssysteme (BUS-Systeme, Router, Repeater, Laptops) und mehrere hundert Meter Kabel (Strom, Luft, LAN) für das stationäre Monitoring zusätzlich installiert. Insgesamt entsteht bei dieser Liegenschaft ein Datenaufwand von 10 GB/Jahr. Bei solchen, vergleichsweise komplexen, Liegenschaften kann es zudem zu weiteren Hürden kommen, die die Effektivität der Maßnahmen verringern können. Hier ist vor allem die Gebäudeleittechnik bzw. deren Zugänglichkeit (geschlossene Schnittstellen, Fehlen der Expert*innenebene) zu nennen, welche die Umsetzbarkeit der Handlungsempfehlungen zur Betriebsoptimierung erschweren kann. Prädiktive Regelstrategien, die ggf. noch höhere Einsparpotenziale mit sich bringen würden, sind somit oftmals nur kostspielig umsetzbar. Gleichzeitig ist es sinnvoll, die Anlagenbetreiber*innen bei der Umsetzung der möglichen Betriebsoptimierungsstrategien (z.B. manuelles Einstellen des Volumenstroms oder der Betriebszeiten) zu unterstützen, da sich im Projekt zeigte, dass diesbezüglich z.T. wenig Expertise und vorherige Berührungspunkte existieren. Trotz der materiellen Aufwände und technisch-organisatorischen Hürden, konnten auch bei großen Liegenschaften Stromeinsparungen von durchgängig > 30 % realisiert werden.
Weiterführende Literatur und Hinweise
  • 1 Basis für Berechnung: Emissionsfaktor Strom (Effizienzmaßnahmen) = 0,732 tCO2/MWh, aus Informationsblatt CO2-Faktoren; Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle, 2021.