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End-Energieverbrauch und Temperaturmessungen

Neben dem Stromverbrauch der Nutzer für die Bürokommunikation sind aus dem Gebäude lu-teco auch Zählerablesungen vorhanden, aus denen der Verbrauch an elektrischer Energie für den Betrieb der BKT bestimmt werden kann. Damit kann der Verbrauch an Endenergie für Heizung und Kühlung des gesamten Gebäudes bestimmt werden. Leider lagen aber nur Zählerablesewerte für den gesamten Stromverbrauch im jeweiligen Monat vor, d.h. es lässt sich nicht vollständig exakt trennen zwischen Aufwand für die winterliche Heizung (Wärmepumpe und Umwälzpumpen) und sommerliche Kühlung (nur Umwälzpumpen).

In allen drei Bauabschnitten ist der Stromverbrauch für Heizung in den Wintermonaten (Mitte Oktober bis Mitte März) deutlich höher als der Verbrauch in den Sommermonaten (vgl. Abbildung 11 bzw. Tabelle 5). Wegen der unterschiedlichen Arbeitszahlen für WP-Betrieb und reinem UP-Betrieb war dies auch nicht anders zu erwarten.

Außerdem fällt auf, dass auch im März und im Oktober, d.h. in Zeiten, in denen gemäß der Simulation keinerlei Heizen und Kühlen erforderlich sein sollte, der sogenannten 'Totzeit', ein signifikanter Stromverbrauch auftritt, der etwa in der Mitte der sommerlichen und winterlichen Monatswerte liegt. Jeweils die Hälfte der Verbräuche im März und Oktober wurden der Summe 'Sommerbetrieb' bzw. 'Winterbetrieb' zugeschlagen.

Aus den Erkenntnissen der thermischen Simulation heraus war dem Betreiber geraten worden, die Wärmepumpen und die Umwälzpumpen während der Totzeit ganz abzuschalten. Die Auswertung der Verbrauchswerte legt die Vermutung nahe, dass eine derartige Abschaltung in dieser Zeit bisher nicht vorgenommen wird.


Abbildung 11:
Energieverbrauch Endenergie
für Heizung und Kühlung.

Hinweis: Bezugsgröße ist die
Energiebezugsfläche (EBF) nach PHPP.
Sie beträgt für das gesamte Gebäude
mit Kellergeschoss etwa 10.000 m².

Für die einzelnen Bauabschnitte
(ohne Keller) ist die EBF:
BA1: 2.950 m²
BA2: 2.540 m²
BA3: 2.709 m²


Tabelle 5: Verbrauch elektrischer Endenergie für Heizung (WP & UP) im Winter und Kühlung (nur UP) im Sommer.


Eine automatische Abschaltung könnte in die Steuerung einprogrammiert werden, indem im Frühjahr und im Herbst Tages und Wochenmittelwerte der Außentemperaturen abgeprüft werden und diese mit den Stundenmittelwerten verglichen werden. Liegen die Tagesmittelwerte der Außentemperaturen innerhalb eines bestimmten Intervalls, so muss weder geheizt noch gekühlt werden, weil das Gebäude eine sehr hohe thermische Trägheit hat. Ansonsten würde eine einfache Steuerung der BKT häufig abwechselnd nachts heizen und tagsüber kühlen wollen, was einen unnötigen Energieumsatz bedingt.

Der Algorithmus einer konkreten Steuerung der BKT müsste im Einzelnen für die verschiedenen Nutzungsbereichen abgestimmt werden. Entsprechende Vorschläge wurden zur Planung gemacht. Insbesondere das Intervall der 'neutralen' Außentemperaturen (z.B. 15 bis 25°C) im Frühjahr und Herbst müsste ggf. noch experimentell für die einzelnen Nutzungsbereiche bestimmt werden, weil die Heiz- und Kühllasten nicht zuletzt auch von den internen Wärmelasten in den Zonen bestimmt werden.


Temperaturmessungen in verschiedenen Bereichen

Wetter Ludwigshafen Sommer 2010. Im Spätsommer 2010 konnten im Gebäude lu-teco in verschiedenen Gebäudeteilen Messungen der Raumtemperaturen vorgenommen werden, um die sommerliche Behaglichkeit beurteilen zu können.


Abbildung 12:
Außentemperaturen im Sommer
(Ende Juli / August) 2010
in Ludwigshafen.

Zentrales Immissionsmessnetz (ZIMEN)
Messort Ludwigshafen Mundenheim,
unweit des Gebäudes lu-teco


In Abbildung 12 und Abbildung 13 sind als Referenz die Wetterdaten zu diesem Zeitraum dargestellt. Die Wetterlage in diesem Zeitraum war nicht extrem warm, dennoch zeigen die Temperaturgänge in einigen Bereichen, dass die Betriebsführung der BKT noch Optimierungspotential hat.

Es zeigen sich deutliche Unterschiede in den Temperaturgängen der Bereiche mit hohen internen Wärmelasten (Call-Center, hohe Dichte an Arbeitsplätzen) und solchen mit moderaten Wärmelasten ('normale' Büronutzung)
(siehe dazu auch Projekterfahrungen - Nutzung und interne Wärmequellen, Abbildung 6).


Abbildung 13:
Globalstrahlung im Sommer
(Ende Juli / August) 2010
in Ludwigshafen.

Zentrales Immissionsmessnetz (ZIMEN)
Messort Ludwigshafen Mundenheim,
unweit des Gebäudes lu-teco


Call-Center: hohe Personenbelegung

Die Bereiche des Gebäudes mit hoher Personenbelegung (11 m² pro Arbeitsplatz) neigen zur Überhitzung, darauf deuten auch schon die hohen Verbräuche an elektrischer Energie hin, die im Wesentlichen für die Bürokommunikation und künstliche Beleuchtung gebraucht werden.
Die daraus ableitbaren internen Wärmelasten (siehe dazu auch Projekterfahrungen - Nutzung und interne Wärmequellen, Tabelle 1) und die Wärmelasten aus Personenabwärme (siehe dazu auch Projekterfahrungen - Nutzung und interne Wärmequellen, Tabelle 4) sind mit über 300 Wh/(m²d) sehr hoch.


Abbildung 14:
Call-Center lu-teco
mit hoher Dichte an Arbeitsplätzen.

Obwohl die Trennwände aus Glas sind,
ist wegen der Tiefe der Räume
kaum Tageslichtnutzung möglich.


Abbildung 15:
Call-Center lu-teco
mit hoher Dichte an Arbeitsplätzen.

Die Ausstattung mit Kunstlicht
und die geometrische Anordnung
der Leuchten ist zwar gut (blendfrei),…


Abbildung 16:
Call-Center lu-teco
mit hoher Dichte an Arbeitsplätzen.

… die Leuchtmittel haben jedoch
eine hohe Abwärmeleistung.

Das Foto wurde aus einer Höhe von ca.
2,30 m aufgenommen,
daher blenden einige Leuchten,
deren Licht an die Decke gerichtet ist.


Die solaren Wärmelasten (50 Wh/(m²d) mit geschlossener Verschattung) sind demgegenüber gering. Die BKT kann offensichtlich die vorhandenen Wärmelasten in allen Bereichen ausreichend abführen, so dass die Temperaturen in den Innenräumen selten über 26°C ansteigen.

Es gibt allerdings einige Ereignisse, die nur mit erhöhten solaren Lasten erklärbar sind: wird die Verschattung nicht geschlossen, so ist aus den Simulationen bekannt, dass dann mit einer solaren Wärmelast von bis zu 500 Wh/(m²d) zu rechnen ist. In den Temperaturgängen einiger Räume zeigen sich einige Zeitintervalle, in denen die Innentemperaturen tagsüber auf mehr als 30°C ansteigen (Abbildung 18 und Abbildung 20). Es konnte nicht zweifelsfrei geklärt werden, ob die Verschattung wegen Nutzereingriff oder wegen Fehlfunktion nicht geschlossen war. Der Temperaturgang in Abbildung 20 deutet allerdings auf Nutzerverhalten hin, weil die hohen Temperaturen nur an jeweils fünf aufeinander folgenden Arbeitstagen stattfinden, nicht aber an den dazwischen liegenden Wochenenden.

Tageslichtnutzung: Die Räume sind sehr tief, so dass die zahlreichen Arbeitsplätze zum größten Teil nicht in Fensternähe liegen (Abbildung 15). Aus diesem Grunde erscheint eine Tageslichtnutzung auch aus subjektiver Sicht praktisch unmöglich. Die Ausstattung mit Kunstlicht und die geometrische Anordnung der Leuchten sind gut und vor allem weitgehend blendfrei. Allerdings haben die Leuchtmittel eine hohe Abwärmeleistung (großteils Halogenstrahler). Hier besteht noch Optimierungs-Potential, das auch helfen könnte den hohen Stromverbrauch in diesen Gebäudeteilen signifikant zu senken und zugleich die internen Lasten zu verringern.


Abbildung 17: Call-Center lu-teco 3.OG Süd Ost, hohe Personenbelegung


Tages-Mittelwert der Temperatur aus der GLT: In jedem Gebäudeteil und Stockwerk sind Temperaturfühler installiert, welche die 'Kerntemperatur' in diesem Bereich aufzeichnen. Es werden aber nur Tagesmittelwerte und Minimum und Maximum aufgezeichnet (Abbildung 18). Man erkennt deutlich den Offset zur hochgenauen Messung. Temperaturspitzen werden ebenfalls nicht wiedergegeben. Trotzdem wird eine korrekte Tendenz sichtbar, so dass eine Regelung mit einem entsprechend kalibrierten Temperatursensor arbeiten könnte.


Abbildung 18: Call-Center lu-teco 3.OG Süd, hohe Personenbelegung
Tages-Mittelwert GLT: In jedem Gebäudeteil und Stockwerk sind Temperaturfühler installiert,
welche die „Kerntemperatur“ in diesem Bereich aufzeichnen.


Abbildung 19: Call-Center lu-teco 3.OG Büro Gruppenleitung (2 Personen):
Nur geringe bzw. seltene Übertemperaturen, da die Verschattung konsequent geschlossen war.


Abbildung 20: Call-Center lu-teco 3.OG Süd-Ost, Büro (2 Personen):
Überhitzung nur in den Zeiten, in denen die Verschattung nicht geschlossen war.
Vermutung: Nutzerverhalten


Architekturbüro, normale Büronutzung, geringe interne Wärmelasten

In den Bereichen mit 'normaler' Büronutzung, d.h. mit einer geringen Belegungsdichte (mehr als 20 m² pro Person bzw. Arbeitsplatz) sind die Temperaturgänge deutlich anders als in den zuvor beschriebenen Bereichen mit hoher Belegungsdichte: In Abbildung 21 ist zu sehen, dass die Raumtemperatur im selben Zeitraum nie über 25°C liegt.


Abbildung 21: lu-teco 2.OG Süd-West, normale Büronutzung (Architekturbüro)
Geringe interne Wärmelasten, konsequente Verschattung


Die Zählerablesungen zeigen einen Stromverbrauch in diesen Bereichen (siehe dazu auch Projekterfahrungen - Nutzung und interne Wärmequellen, Tabelle 3) der mit etwa 100 Wh/(m²d) weit unter dem Verbrauch im Bereich Call-Center liegt. Errechnet man außerdem die Abwärme von Personen mit der geringeren Belegung (siehe dazu auch Projekterfahrungen - Nutzung und interne Wärmequellen, Tabelle 4) so wird schnell klar, dass die internen Wärmelasten deutlich kleiner sind. Eine Überwärmung dieser Gebäudebereiche ist daher nicht zu erwarten, was von den Messungen in Abbildung 21 bestätigt wird. Die solaren Wärmelasten in diesen Bereichen wurden als identisch zu den vorgenannten Bereichen angenommen.

Tageslichtnutzung: Die Möblierung in diesen Bereichen ist ebenfalls deutlich aufgelockert und offener im Vergleich zu den hoch belegten Bereichen. Damit wird eine Tageslichtnutzung leichter möglich. Die Fotos in Abbildung 22 und Abbildung 23 geben einen subjektiven Eindruck davon.


Abbildung 22:
Normale Büronutzung, geringe Dichte
an Arbeitsplätzen.

Tageslichtnutzung möglich.


Abbildung 23:
Normale Büronutzung, geringe Dichte
an Arbeitsplätzen.

Kunstlichtnutzung
mit Fluoreszenzlampen.


Steuerung bereichsweise und mit Temperaturregelung

Das Gebäude wird derzeit mit einer zeitlich konstanten aber bereichs- und stockwerksweise einstellbaren Durchflussmenge der BKT betrieben. Es gibt je eine Wärmequelle bzw. Senke für jeden Bauabschnitt mit vier Stockwerken, d.h. je eine WP für die Heizung im Winter und eine Umwälzpumpe für die Kühlung im Sommer. Die Durchflussmenge und somit die Kühlleistung kann über Absperrventile manuell stockwerksweise für jeden Bauabschnitt separat eingestellt werden. Diese Einstellungen werden derzeit zweimal jährlich jeweils im Frühjahr und im Herbst verändert: diejenigen Bereiche mit hohen internen Lasten brauchen im Sommer einen hohen Durchfluss für höhere Kühlleistung, im Winter jedoch einen geringeren Durchfluss im Vergleich zu den Gebäudebereichen mit geringeren internen Wärmelasten.

In Anbetracht dieser sehr groben Einstellmöglichkeiten der Steuerung, welche eine bereichsweise kontinuierliche Regelung der BKT bzw. des Durchflusses nicht zulässt, sind die gefundenen Temperaturgänge als sehr gut zu bezeichnen. Trotzdem wäre es wünschenswert, eine bereichsweise Regelung der Kühl- bzw. Heizleistung der BKT, speziell über die Durchflussmenge in den Decken, zu implementieren, weil damit der thermische Komfort auch in Bereichen mit sehr hohen, bzw. sehr stark schwankenden internen Wärmelasten noch weiter verbessert werden könnte.

Eine Temperaturregelung für die BKT müsste wegen der relativ hohen Zeitkonstanten des Gebäudes bezüglich des Temperaturverhaltens natürlich speziell angepasst und eingestellt werden. Konventionelle Gebäude mit höheren Wärmeverlusten haben deutlich kürzere Zeitkonstanten. Lange Zeitkonstanten, d.h. mehrere Tage sind aufwendiger in der Justage. Andererseits zeigen die Tagesgänge der Innentemperaturen, dass mindestens zwei Zeitkonstanten relevant sind: Direkte Sonneneinstrahlung führt zu einer schnellen Temperaturerhöhung, die nach Beendigung der Einstrahlung ebenso schnell wieder zurückgeht. Eine Aufheizung der gesamten thermischen Masse (vor allem der Betondecken) des Gebäudes während einer sommerlichen Hitzeperiode vollzieht sich jedoch innerhalb einiger Wochen, d.h. die hierfür relevante Zeitkonstante ist deutlich länger als 10 Tage. Die oben referierten dynamischen Simulationen des Temperaturverhaltens könnten daraufhin verfeinert werden. Strategien hierfür wurden während der Planung erörtert aber nicht umgesetzt.


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