Eine Studie zu den Laufzeiten von haustechnischen Raumgeräten wurde innerhalb dieses Projektes mit Unterstützung von Siemens Building Technologies, Zug, durchgeführt [12].
5.4.1 Anzahl Stellbewegungen und resultierende Laufzeiten
Die effektiven Laufzeiten bezogen auf ein Jahr sind relativ klein und liegen meist in der Grössenord-nung von 0.5% bis 1%.
Die minimal nötigen Stellbewegungen ergeben sich durch die Tagesverläufe für den Bedarf von Heiz- oder Kühlleistung, Frischluft oder Sonnenschutz in einem Raum. Diese Tagesverläufe werden haupt-sächlich durch folgende Einflussfaktoren bestimmt:
- für Heizen/Kühlen durch die Personenanwesenheit und wärmeerzeugende Geräte, sowie Aussentemperatur und Sonneneinstrahlung (saisontypische Tagesgänge),
- für Lüftung durch den Tagesverlauf der Personenbelegung,
- für Sonnenschutz durch den Tagesverlauf der Strahlung auf die Fassade.
Alle Einflussgrössen ändern sich langsam, so dass z.B. Nachstellungen alle 15 Minuten gemacht wer-den müssen. Für einen Tagesgang sind bei kontinuierlicher Regelung (PI) 1 bis 2 Stellzyklen (100%
öffnen & schliessen) nötig. Die minimal nötigen Stellbewegungen wurden mittels Simulationen ermit-telt.
Reale Regeleinrichtungen beinhalten diverse Nichtidealitäten, welche zu zusätzlichen Stellbewegun-gen führen. Solche Nichtidealitäten sind: Zweipunktregelung, low cost Ventile oder Luftklappen, schlechte Dimensionierung der Ventile oder Luftklappen, Quantisierung und Verzögerung der Regel-grösse in kommunikativen Systemen, falsch eingestellte Reglerparameter.
Diese Gegebenheiten erzeugen bis zu 50 zusätzliche Stellzyklen pro 24 h. Die Messdatenanalyse von Raumtemperaturregelungen zeigte, dass die Qualität der Komponenten eines Regelkreises die An-zahl der Stellbewegungen wesentlich mitbeeinflusst. Effekte wie Überschwingen und Nachschwingen führen zu zusätzlichen Teil-Stellbewegungen. Auf volle Stellbewegungen zusammengerechnet konn-ten aus den Messdakonn-ten folgende zusätzliche Stellbewegungen pro 24 h bei Konstantregelung abge-schätzt werden:
- Zweipunktregelung: 10 bis 50
- Radiatorregelung (low cost Ventil): 3 bis 10 - Fancoil (hochwertige Komponenten): 2 bis 5
- Kommunikativer Regler mit langen Zykluszeiten (15 bis 75 Minuten): 5 und mehr Die Simulationsergebnisse und Erkenntnisse aus der Messdatenanalyse wurden in ein Excel-Berechnungsblatt integriert, welches die monatliche/jährliche Anzahl Stellzyklen sowie die monatli-chen/jährlichen Antriebslaufzeiten berechnet. Für einen typischen Fall sind die resultierenden Werte in Tabelle 16 wiedergegeben. Die genannten Laufzeiten basieren auf den im Anhang 10.5 wiedergege-benen Werten (Tabelle 25), mit Nichtbelegung während des Wochenendes sowie einer Laufzeit pro Stellzyklus von 120 s für Heiz- und Kühlventile sowie 60 s für die Storen.
Tabelle 16: Stellzyklen und Antriebslaufzeiten, monatlich und jährlich
Die Simulationen wurden für ein Bürogebäude durchgeführt. Dessen wichtigste Kenndaten sind fol-gende:
- Standort: Zug
- Masse (B T H) [m]: 20, 15, 6 (2 Etagen à 3 m) - Orientierung: Längsrichtung in Ost-West - Aussenwand: U-Wert 0.2 W/(m2 K)
- Fenster: Fensteranteil an jeder Fassade 40%, U-Wert 0.8 W/(m2 K), g-Wert 0.5, Redukti-onsfaktor durch Aussen-Jalousien 0.3 (identisch für jede Fassade)
- Nutzung: Beleuchtungsleistung 13 W/m2, Geräteleistung 10 W/m2, Auslastung 13.3 m2/Person
5.4.2 Zeitanteil der Ansteuerung („Anteil-on“)
Der Zeitanteil, während dem der Antrieb unter Strom steht (Zeitanteil der Ansteuerung „Anteil-on“), ist im Falle von elektromotorischen Stellantrieben gleich dem Zeitanteil im Bewegungszustand (voraus-gesetzt, dass in den Endlagen eine Spannungsfreischaltung stattfindet). Für Heizen/Kühlen werden anstelle von elektromotorischen Antrieben sehr oft kostengünstigere thermische Ventilantriebe einge-setzt. Bei diesem Antriebsprinzip hat diese Zeitgleichsetzung keine Gültigkeit. Denn für das Halten einer Zwischenstellung sowie der aktiven Endposition ist eine periodische Bestromung notwendig.
Zudem wird in der Praxis bei thermischen Ventilantrieben oft keine konstante Zwischenstellung ange-steuert, sondern eine zyklische Auf/Zu-Bewegung gefahren. Aus diesen Gründen ist der Zeitanteil der Bestromung von elektrothermischen Stellantrieben um ein Vielfaches höher als der Zeitanteil im Be-wegungszustand bei entsprechenden elektromotorischen Stellantrieben. In einer Masterarbeit [10]
wurden Laufzeit-Abschätzungen für beide Stellantriebs-Typen gemacht.
Eine Zusammenstellung der Laufzeiten aus zwei Quellen (die in Kapitel 5.4.1 zusammengefasste Studie [12] sowie die oben erwähnte Masterarbeit [10]) ist in Tabelle 17 wiedergegeben. Weiter sind in dieser Tabelle die in den Objektanalysen (Kapitel 5.2) verwendeten Laufzeiten aufgeführt. In der Mas-terarbeit wurden jeweils zwei unterschiedliche Laufzeiten ermittelt, eine erste für die zu erwartende effektive Laufzeit („Anteil-on“) sowie eine zweite Laufzeit für einen Betrieb mit Nutzen für die Gebäu-denutzer („Anteil-on-BmN“).
Feldgerät Anteil-on gemäss [12]
Heizventil Elektrom. 0.001 - 0.002 Elektrom. 0.012 Elektroth. 0.15
Elektrom. 0.012 Elektroth. 0.129
Elektrom. 0.002 Elektroth. 0.15 Kühlventil Elektrom. 0.001 - 0.004 Elektrom. 0.005
Elektroth. 0.09
Tabelle 17: Laufzeiten Feldgeräte: Werte gemäss zwei Studien sowie in Objektanalysen verwendete Werte
6 Empfehlungen an Planer
Basierend auf den Labormessungen, den Objektanalysen sowie ergänzenden Experteninterviews wurden einige Empfehlungen an Planer der Gebäudeautomation abgeleitet. Diese sind nachfolgend zusammengefasst. Sie sind motiviert aus Sicht des Eigenenergieverbrauchs der GA. Eine Ausnahme ist die Empfehlung 6.1.1, die in erster Linie aus Sicht der mittels GA bewirkten Energieeinsparungen motiviert ist. Der Planer hat auch andere Aspekte wie Kosten, Flexibilität, Erweiterbarkeit, Betriebssi-cherheit und Komfort zu beurteilen und zu berücksichtigen. Der Fokus der Empfehlungen liegt auf der Raumautomation; einige der Empfehlungen lassen sich auch auf die Automation der Primäranlagen anwenden. Für welche Fälle die Empfehlungen relevant sind, zeigt Abbildung 37.
Abbildung 37: Übersicht über die Empfehlungen mit Zuordnung zu den Anwendungsfällen (grün: Empfeh-lung anwendbar)
Tipp-Nr. Titel Managementebene Heizung & Kühlung Lüftung Beleuchtung Beschattung 1 Generelle Empfehlungen
1.1 GA-Funktion mit Effizienzklasse A wählen 1.2 Bestgeräte verwenden
1.3 Systemdurchgängige GA-Lösungen 1.4 Komponenten spannungsfrei schalten
1.5 Strommesser und Wärmezähler vorsehen (Energiemonitoring) 1.6 GA-Management-System: Alternativen zu klassischem Server prüfen 1.7 Energieautarke Komponenten (These)
2 Speisungen
2.1 Speisungen klein dimensionieren
2.2 Speisungen mit geringer relativer Leerlaufverlustleistung wählen 2.3 Speisungen mit hohem Wirkungsgrad nahe der Nennleistung wählen 3 I/O-Module, Relais
3.1 Hilfsrelais vermeiden
3.2 Bistabile Relais verwenden bei langandauerndem Ein-Zustand 3.3 Signaltyp 0(4)-20mA vermeiden
3.4 Kombimodule einsetzen bei Steuersignal 0(1)-10V 3.5 Modulgrössen geeignet wählen
4 Antriebe
4.1 3-Punkt-Antriebe in Betracht ziehen 4.2 Elektromotorische Ventilantriebe einsetzen
5 Bussysteme
5.1 Standard-Protokolle für die Datenkommunikation verwenden 5.2 Bus-lose Beleuchtungslösungen in Betracht ziehen
Raumautomation nach Gewerk
Primäranlagen