Lecture Notes in Informatics (LNI), Gesellschaft für Informatik, Bonn 2016 1239
Energieeinsparungen im Gebäudebetrieb durch
visualisiertes Feedback an Nutzer: Datenerfassung und Datenvisualisierung in Nicht-Wohngebäuden
Stefan Naumann, Andrea Christian, Christoph Göttert, Klaus-Uwe Gollmer, Rainer Michels, Stefan Rüffler1
Abstract:Öffentliche Gebäude tragen signifikant zu Energieverbräuchen in den Bereichen Strom, Wärme und Kälte und damit zu CO2-Emissionen bei. In Rahmen eines am Umwelt-Campus Birkenfeld der Hochschule Trier durchgeführten Projekts wurden umfangreiche Messsysteme installiert, um diese Verbräuche zu erfassen und zu visualisieren. Am Beispiel eines Hörsaals wird gezeigt, wie sich solche Messungen veranschaulichen lassen, und wie gleichzeitig der Lernkomfort durch Rückmeldung des aktuellen CO2-Gehaltes im Raum verbessert werden kann.
Keywords:Gebäudetechnik, Verbrauchsvisualiserung, Messsystem, Hochschulen
1 Motivation
Öffentliche und private Gebäude verbrauchen etwa 40% der gesamten Energie in der Europäischen Union, davon entfallen etwa 37% auf öffentliche Gebäude [WRK10].
Hochschulen sind öffentliche Gebäude und haben damit auch die Herausforderung, den Energiekonsum insbesondere in den Bereichen Strom, Wärme und Kälte zu analysieren und zu reduzieren. Hierzu ist es erforderlich, diese Verbräuche zunächst systematisch zu erheben – what you can’t measure you can’t manage –, und hieraus entsprechende Maßnahmen zu entwickeln. Dabei spielen vorhandene Gebäudeleittechnik, Automatisierungsmaßnahmen und auch die Aktivitäten der Nutzer des Gebäudes gleichermaßen eine wichtige Rolle. So wurde 2006 von Karatzas und Bassoukos ein System vorgestellt, das insbesondere im Schulumfeld das Energiemanagement unterstützt [KB06].
Im hier vorgestellten Projekt wurden am Umwelt-Campus Birkenfeld, einem Standort der Hochschule Trier, umfangreiche Messdaten erhoben, aus denen Einsparpotenziale abgeleitet werden konnten. In diesem Beitrag wird die genutzte Messinfrastruktur beschrieben und es werden ausgewählte Ergebnisse vorgestellt. Grundlegende Informationen zu dem korrespondierenden Projekt finden sich in [Ko13]. Einen umfassenden Überblick über Informationssysteme zum Gebäude-Energieverbrauch findet sich in [LOP08].
1Hochschule Trier, Umwelt-Campus Birkenfeld, Institut für Softwaresysteme, Postfach 1380, 55761 Birkenfeld, s.naumann@umwelt-campus.de
2 Darstellung des Gebäudekomplexes
Der Umwelt-Campus Birkenfeld ist ein aus einem ehemaligen amerikanischen Militärhospital hervorgegangener Gebäudekomplex. Die Gebäudestruktur beinhaltet sowohl renovierte als auch vollständig neu errichtete, modern ausgestaltete Gebäudeteile mit innovativer Anlagentechnik.
Die Heizwärmeversorgung erfolgt über ein Fernwärmenetz durch ein ca. 500 m entfernt gelegenes Biomasse-Heizkraftwerk. Im Versorgungsbereich der 2002 neu in Betrieb genommenen Gebäude wird das Fernwärmenetz durch eine 260 m² große solarthermische Anlage unterstützt. Sie speist einen Wärmespeicher, der jahreszeit- abhängig die Wärme verschiedenen Verbrauchern zuführt. Im Frühjahr und Herbst kann der Wärmespeicher einen Teil der Gebäude heizen. Im Sommer nutzt eine Adsorptionskältemaschine die Wärme der solarthermischen Anlage zur Erzeugung von Kaltwasser zur Kühlung der Frischluft und zur Kühlung des Gebäudes über Rohrschlangen in Wänden und in Fußböden. Die 1996 renovierten Bestandsgebäude beziehen ihre Wärme nur aus der Fernwärmeversorgung. Zur Unterstützung der Warmwasserbereitung sind ebenfalls solarthermische Kollektoren installiert.
Zur Frischluftversorgung befindet sich in 4 m Tiefe ein Erdkollektor aus 2 Stahlbetonrohren mit 1,5 m Durchmesser. Unter Nutzung der Erdwärme bzw. -kälte wird die Außenluft zur Gebäudebelüftung über den Erdkollektor angesaugt. Im Winter ermöglicht der Erdkollektor eine Temperaturanhebung und im Sommer eine Temperaturabsenkung. Liegt die Temperatur der Außenluft im Bereich der gewünschten Zulufttemperatur, wird der Erdkollektor nicht genutzt und kann sich regenerieren. In diesem Fall wird die Außenluft direkt über einen Betonzuluftschacht angesaugt.
Bevor die Abluft der Lüftungsanlage in die Umwelt abgegeben wird, kommt es zu einer Wärmerückgewinnung der in der Abluft enthaltenen Wärme. Ein rotierender Wärmetauscher entzieht der Abluft die Wärmeenergie und führt sie der frischen Zuluft zu. Ein Teil der noch verbleibenden Restwärme der Abluft wird über Wärmetauscher in einem Massivabsorber einer Wärmepumpe zugeführt und auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Diese Wärme wird im Winter zur schnelleren Regeneration des Erdreiches um den Erdkollektor genutzt.
Die Steuerung der Gesamtheizungs- und Lüftungsanlage erfolgt über ein Gebäudeleittechniksystem. Über ein zweites Messwerterfassungssystem werden weitere Sensorsignale aufgeschaltet, die nicht zwingend zur Anlagensteuerung notwendig sind, aber zusätzliche Informationen zur Ermittlung der Energieeffizienz einzelner Anlagenkomponenten bieten.
Tabelle 1: Nutzung und Topologie Hochschule Trier, Standort Umwelt-Campus Birkenfeld
Bauherr Landesbetrieb LBB, Niederlassung Idar-
Oberstein
Betreiber Hochschule Trier, Standort Umwelt-
Campus Birkenfeld, Rheinland-Pfalz
Bauphase 1996 – 2003
Ursprüngliche Gebäudenutzung Konversion eines ehemaligen Militärhospitals (ursprüngliche Fertigstellung 1964)
Beginn Studienbetrieb 1996
Gesamtnutzungsfläche 25.678 m²
Anzahl Räume 867
Studierende ca. 2.700
Mitarbeiter ca. 300
Gesamtenergiebedarfe am Beispiel des Jahres 2014 Elektrischer Energiebedarf 1.078 MWh/a
Wärmebedarf 1.679 MWh/a
Kälte genutzt 221 MWh/a
3 Untersuchungsabgrenzung
Um den Untersuchungsrahmen eingrenzen zu können, wurden vor Projektbeginn sowohl die Nutzergruppen also auch die untersuchten Räume festgelegt. Seitens der Nutzer waren dies Dozentinnen und Dozenten, Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sowie Studierende. Als Raumtypen wurden Hörsäle und Seminarräume, Büroräume, ein Technikum, Flure, Besprechungs- und Sozialräume festgelegt (siehe auch Abbildung 1).
Abbildung 1. Untersuchte Raumtypen (Hörsaal, Technikum, Büroraum)
4 Messdatenerhebung
Aufbauend auf bereits verfügbaren Messeinrichtungen im Bereich Wärme und Strom wurden im Rahmen des Projektes weitere Sensoren installiert, welche eine granuliertere Erhebung von Messdaten ermöglichen. Insbesondere wurden weitere Kältemengenzähler für das Gebäude eingebaut, Stromzähler ergänzt, und Heizkostenverteiler (HKV) an jedem Heizkörper montiert, um raumscharf die Wärmebedarfe ermitteln zu können.
Abbildung 2 zeigt die Verteilung der verschiedenen Messpunkte auf dem Campusgelände. Dabei wird die Wärmemessung noch unterteilt in Wärme Heizung sowie Wärme Lüftung.
Abbildung 2. Überblick über die in den Gebäuden installierte Messtechnik
Abbildung 3. Eigenentwickelter Multisensor
Insgesamt wurden über 20 zusätzliche Sensoren im Rahmen des Projekts installiert und deren Daten zentral erfasst. Abbildung 4 zeigt die verschiedenen Datenquellen, Übertragungswege und auch Datenformate des Projekts.
Datenlogger
M‐Bus
• Strom Technikum
• Heizung Technikum
• Lüftung Wärme Technikum
• Heizung
Daten in gekapselter Datenbank von B‐Con,
mittels Labview visualisierbar
MainzMonitoring als CSV‐Dateien zur
Verfügung gestellt Profibus
• Heizung & Lüftung Glasbau
• Lüftung HS1 - 3
• Nachspeisung Warmwasser
OPC Server B‐Con EIB
• Strom EDV Steckdosen OG
• Strom Beleuchtung OG
• Strom elektr. Anschlüsse Sem.
• Strom EDV Steckdosen Sem.
• Strom Beleuchtung Sem.
• Strom HS1 ‐ 3
• Lüftung Kälte
Falcon KNX Library (C++) Calimero KNX Library
etc.
Daten beliebig manuell abrufbar
IPGatewaysIPGateways
Daten als RLV ‐Dateien
Daten an Datenbankserver 121 HKVs verteilt in Fachbereichsverwaltungsgebäude & Glasbau
REGENA‐Pilot ( HS1, HS2, HS3, Seminarraum) RasPi/Reed‐Kontakter Seminarraum
Abbildung 4. Datenquellen und Übertragungswege im untersuchten Gebäude
Um insbesondere in den Hörsälen noch detailliertere Informationen zu erhalten, wurden zusätzliche Multi-Sensoren eigenentwickelt (vgl. Abbildung 3). Diese im Kunststoffgehäuse untergebrachte Kleinstrechner (Pilot) auf Arduino-Basis ermitteln in
kurzen Abständen Raumtemperatur, -feuchtigkeit, CO2-Konzentation, Lautstärke und Summe flüchtiger Kohlenwasserstoffe. Dies sind nach [GB16] wesentliche und auch ausreichende Werte zur Beurteilung des Raumklima in Hörsälen. Die Werte werden über den Tag auf einer SD-Speicherkarte gesammelt und gegen ein Uhr morgens dann per FTP an eine Datenbank übertragen.
Insgesamt kommen somit aus mehreren Datenquellen Messdaten zusammen, die über unterschiedliche Übertragungswege in die zentrale relationale Datenbank übertragen werden. Abbildung 5 zeigt die Datenflüsse der verschiedenen Quellen.
Abbildung 5. Datenflussdiagramm der erhobenen Sensordaten
Dabei laufen die Daten zunächst auf einem ebenfalls zentralen Netzlaufwerk zusammen, von dem aus dann mittels eines Python-Scripts die Vorverarbeitung vorgenommen wird, um schließlich die entsprechenden SQL-Befehle zu generieren. Insgesamt wurden in den
letzten 3 Jahren etwa 35 Millionen Messwerte erfasst. Zur Automatisierung der Messprozesse wurde neben durch Cron-Jobs gesteuerte Skripte die Software WinAutomation (http://www.winautomation.com/) genutzt, welche die Abrufe der HKV-Daten automatisiert. Hier war seitens der Herstellerfirma nur eine manuelle Abfrage vorgesehen, was für ein beispielsweise jährliches Auslesen ausreicht, aber für eine hochfrequente tägliche Analyse nicht praktikabel ist.
Abbildung 6 schließlich stellt das Entity-Relationship-Modell der zentralen Datenbank dar. Im Mittelpunkt steht die Tabelle „Messwert“, welche sämtliche Messwerte enthält und diese abhängig von Sensortyp, Messgröße, Sensorort etc. ablegt.
Abbildung 6. Entitiy Relationship-Modell der zentralen Datenbank
5 Visualisierung der Ergebnisse
Um den Gebäudenutzern Klima- und Verbrauchsdaten als Feedback zur Verfügung zu stellen, wurde neben der Messtechnik auch Software benötigt, mit Hilfe derer sich die gesammelten Messwerte aufbereiten und ansprechend visualisieren lassen. Zu diesem Zweck sowie für eigene Auswertungen wurde die Open-Source Software BIRT, ein Business Intelligence and Reporting Tools, verwendet und angepasst
(http://www.eclipse.org/birt/). Das Java-basierte Projekt stellt Werkzeuge zum Aufbereiten und zum Visualisieren von großen Datenmengen zur Verfügung. Dabei wird eine direkte Anbindung an die relationale -PostgreSQL-Datenbank, die alle Messdaten speichert, unterstützt.
Abbildung 7 zeigt exemplarisch den Stromverbrauch der drei untersuchten Hörsäle.
Deutlich ist zu erkennen, dass die Verbräuche abhängig von Vorlesungszeiten sind, aber auch, dass der Verbrauch insgesamt zurückgegangen ist. Dies ist unter anderem auf Schulungen zurück zu führen, in denen die Hörsaal-Nutzer (Dozentinnen und Dozenten sowie Studierende) Hinweise zur stromsparenden Raumnutzung erhielten.
Abbildung 7. Exemplarische Visualisierung von Stromverbräuchen in drei Hörsälen
Eine weitere Rückkopplung an die Hörsaalnutzer ist durch eine Echtzeit-Visualisierung der Messdaten des in Abbildung 3 gezeigten eigenentwickelten Multisensors gegeben.
Mittels der Internet-of-Things-Erfassungs- und Visualisierungssoftware Thingspeak (https://thingspeak.com/) können in Echtzeit Messergebnisse hochschulintern über das Intranet angezeigt werden. Abbildung 8 verdeutlicht dies am Beispiel des CO2-Gehaltes im Hörsaal, der gleichzeitig ein Kennzeichen für „verbrauchte Luft“ und damit einhergehender geringerer Konzentrationsfähigkeit ist. Entsprechend kann bei Werten von bspw. über 1.200 ppm stoßgelüftet werden, was deutlich energieeffizienter ist als
ständiges Lüften mit gekippten Fenstern. In Abbildung 9 zeigt einen exemplarischen Messdatenverlauf für die Werte von Luftqualität, Lautstärkepegel und CO2-Gehalt.
Abbildung 8. Echtzeit-Visualisierung von CO2-Werten [ppm] in einem Hörsaal mittels Thingspeak
6 Zusammenfassung und Ausblick
Um in komplexen und heterogen genutzten Gebäuden wie Hochschulen Energieeinsparungen zu erzielen, ist eine umfangreiche Datenerhebung notwendig, um die verschiedenen Energieströme aus den Bereichen Wärme, Kälte und Strom zu erfassen und so zu klassifizieren, dass Maßnahmen zur Einsparung vorgenommen werden können. Hierzu sind zum einen zahlreiche Messpunkte zu setzen, und zudem
müssen Datenqualität und auch Lückenlosigkeit fortwährend geprüft werden. In dem vorgestellten Projekt konnte gezeigt werden, dass eine solche umfassende Erhebung Einsparungen ermöglichen kann, wenn Verbräuche den Gebäudenutzern – sei es Haustechnik, Dozentinnen und Dozenten oder anderen Akteuren – gespiegelt werden und sich daraus Maßnahmen ableiten lassen.
Abbildung 9. Messdatenverlauf und Visualisierung in Detaildarstellung (Script: highcharts.com) Gleichzeitig hat sich gezeigt, dass es im Zusammenspiel von vorhandener Gebäudetechnik und eigenentwickelter Mess- und Auswertungstechnik erhebliche Schnittstellenprobleme gibt. So sind solche Gebäudeleittechnik-Systeme häufig proprietär, was sowohl die Wartung bei Änderungswünschen erschwert und mangels offener Schnittstellen den Austausch mit anderen Steuerungs- und Auswertungssystemen erschwert. Hier könnten offene Standards Vorteile beim Ermitteln von Einsparpotenzialen und auch bei der Steuerung bieten.
7 Danksagung
Die Autorinnen und Autoren danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie für das aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages geförderte Projekt REGENA (Förderkennzeichen 03ET1070), sowie den REGENA-Projektpartnern IZES gGmbH, Saarbrücken, und A.U.G.E.-Institut, Hochschule Krefeld. Die Verantwortung für die Darstellung der Ergebnisse liegt ausschließlich bei den Autoren.
Literaturverzeichnis
[WRK10] Wicaksono, H.; Rogalski, S.; Kusnady, E.: Knowledge-based Intelligent Energy Management Using Building Automation System, in: Institute of Electrical and Electronics Engineers (ed.): IPEC 2010, The 9th International Power and Energy Conference: 27-29 October 2010, Suntec, Singapore, pp. 1140–1145, 2010
[KB06] Karatzas, K.; Bassoukos, Anastasios: ISBEEM: Indoor Environment and Energy Management for School Buildings, EnviroInfo 2006 (Graz), pp. 169-176, 2010 [Ko13] Kohoun, W.; Christian, A.; Naumann; S; Gollmer, K.-U.; Ebner, I.; Michels, R.; Koch,
P.; Guldner A.; Eigenstetter, M.; Jähn, V., Arns, S.; Groß, B.: Resource Efficiency in Buildings through Automation and User Integration (REGENA). In: Page, B.;
Fleischer, A.; Göbel, J.; Wohlgemuth, V. (Eds.): EnviroInfo2013 – Environmental Informatics and Renewable Energies. 27th International Conference on Informatics for Environmental Protection, p. 484-491, 2013
[LOP08] Pérez-Lombard, L.; Ortiz J., Pout, C.: A review on buildings energy consumption information, Energy and Buildings, Volume 40, Issue 3, 2008, Pages 394-398, ISSN 0378-7788, http://dx.doi.org/10.1016/j.enbuild.2007.03.007, 2008
[Gr16] Greml A., Blümel, E., Kapferer, R; Leitzinger, W: Technischer Status von Wohnraumlüftungen, Berichte aus Energie und Umweltforschung 16, Wien (2004), Online unter http://www.hausderzukunft.at/hdz_pdf/endbericht_greml_id2746.pdf, 12.06.2016
