Digitalisierung für Integrale Planung und Qualitätsmanagement von Gebäuden

Mit einem Anteil von 40 Prozent an dem Primärenergieverbrauch lassen sich die Nachhaltigkeitsziele nur durch eine Optimierung des Gebäudebestands erreichen. Über die dafür notwendigen Technologien verfügen wir längst. Gebäudeautomationssysteme, die heute fast in jedem technischen Gewerk eingesetzt werden, spielen dabei eine zentrale Rolle: Sie können für einen deutlich geringeren Energieverbrauch der gebäudetechnischen Anlagen sorgen. Deshalb kommt ihnen eine Schlüsselstellung zu beim Bau und Betrieb von innovativen, ressourcenschonenden Gebäuden.

Wissenschaftliche Studien konnten allerdings auch immer wieder zeigen, dass die Effizienzpotenziale solcher Gebäude in der Praxis deutlich hinter den technisch möglichen Werten zurückbleiben. Das liegt vor allem an der hohen Komplexität der Gebäudetechnik und an einem mangelhaften Qualitätsmanagement. Die Defizite haben unterschiedlichste Ursachen. Das Feld reicht dabei von Defiziten in der Planung über Fehler in der Errichtung bis zu nachlässiger Betriebsführung.

Zu lange Laufzeiten von Lüftungsanlagen, gleichzeitiges Heizen und Kühlen, eine ungenaue Kalibrierung von Sensoren, falsche Regelungsstrategien oder Soll-Werte, fehlerhafte Anlagenergänzungen sorgen häufig für erhebliche Mehrkosten. Damit Fehlfunktionen nicht lange unentdeckt bleiben oder sogar gänzlich vermieden werden können, bedarf es effektiver Prozesse, die eine detaillierte Prüfung einzelner Gebäudefunktionen erlaubt. An dieser entscheidenden Stelle fehlt bisher ein praktikables und wirtschaftliches Konzept.

Das Technische Monitoring (TM) soll dabei helfen, die Lücke zwischen den Zielwerten für optimalen Anlagenbetrieb und erreichten Messwerten zu schließen. Ein neues Werkzeug ermöglicht hierfür nun erstmals die präzise Spezifikation und effektive Prüfungen der Gebäudeperformance:

Mit dem digitalen Prüfstand der synavision GmbH lassen sich Funktionen von gebäudetechnischen Systemen und Automation softwarebasiert spezifizieren und im Betrieb automatisiert überprüfen.

Damit sind die Voraussetzungen für die Einführung eines leistungsfähigen Qualitätsmanagements der technischen Gebäudeausrüstung geschaffen.

Technisches Monitoring als Qualitätsmanagement

Auch wenn man unter Monitoring gemeinhin die Erfassung, Analyse und Visualisierung von Daten versteht, sollte es doch früher beginnen. Das Technische Monitoring startet in der Regel als Spezifikation von Anforderungen.

In der frühen Planung wird festgelegt, welche funktionalen Erwartungen der Bauherr an sein Gebäude hat, zum Beispiel in Bezug auf das Raumklima und den Energieverbrauch. Auf dieser Basis entwickeln Fachplaner entsprechende technische Lösungen, die dann von den Errichtern umgesetzt werden.

Das Technische Monitoring begleitet diesen Prozess durch die Ableitung und präzise Definition von Zielwerten für einzelne Anlagen und Funktionen sowie die Spezifikation von klar definierten Prüfmethoden, die eine eindeutige Bewertung des Betriebs in Bezug auf die Erfüllung der Anforderungen aus der Planung ermöglichen. Als funktionale Ziele können beispielsweise festgelegt werden: Stromverbrauch des Gebäudes oder einer Anlage, Heiz- und Kühlfunktionen der Einzelraumregelung sowie Parameter des Raumklimas, spezifische Ventilatorleistungen von Lüftungsanlagen, Betriebszustände einschließlich entsprechender Systemtemperaturen, Nutzungsgrade etc.

Diese Spezifikationen können die Planung als Vorgabe ergänzen. Häufig bringt bereits die gezielte Klärung und prüfbare Darstellung von funktionalen Zielen in der Planung erhebliche Einsparungen von Anlagen und zusätzliche Klarheit bei den angestrebten Funktionen.

Im Vorfeld der Abnahmen werden dann Probebetriebe durchgeführt, die als Leistungsnachweis der Anlagen dienen. Hierbei werden Daten aus den zu prüfenden Anlagen bzw. ihrer Automation mit den Spezifikationen abgeglichen. So entstehen eindeutige und transparente Nachweise darüber, ob ein Gebäude oder eine Anlage die spezifizierten Funktionen erreicht oder nicht. Anschließend kann das Technische Monitoring im Betrieb kontinuierlich zur Betriebsüberwachung genutzt werden.

Der Praxistest

Dieses Konzept des Qualitätsmanagements wurde mit dem von der synavision GmbH entwickelten digitalen "Prüfstand für Gebäudeperformance" mittlerweile in mehr als 500 Anlagen angewendet.

Bei der Bielefelder Filiale der Deutschen Bundesbank wurde im Zuge einer energetischen Sanierung die Anlagentechnik in den Gewerken Heizung, Kühlung, Lüftung und Gebäudeautomation erneuert.

Das Gebäude bezieht Fernwärme und verteilt die Wärme über vier Heizkreise. Eine neue Kompressionskältemaschine ersetzte die bestehende, die sich jedoch weiterhin als Reserve manuell zuschalten lässt. Mehrere Lüftungsanlagen, teilweise mit komplexen Vollklimafunktionen, versorgen die Räume. Eine neue Gebäudeautomationsanlage steuert die technischen Anlagen.

Die Inbetriebnahme wurde mit insgesamt drei Prüfbetrieben von jeweils einer Woche begleitet. Auf den digitalen Prüfstand kamen die Heizkreise, die Kälteanlage und drei ausgewählte RLT-Anlagen.

Die Betriebszustände der Anlagen wurden mit den dazugehörigen Betriebsregeln aus den Funktionsbeschreibungen und Anlagenschemen abgeleitet und vor der Durchführung der Prüfung mit der Fachplanung und dem Errichter abgestimmt.

Im Zuge der verschiedenen Prüfungen konnten sukzessiv fehlende oder fehlerhafte Regelungen identifiziert, im Projektteam abgesprochen und korrigiert werden.

Die Korrekturen für den Winterbetrieb vermeiden allein im Bereich der Heizungsanlage nun rund 3.000 Euro pro Jahr an Mehrkosten.

"Wir haben an diesem Forschungsprojekt teilgenommen, um das Qualitäts- und Energiemanagement in unseren Gebäuden zu verbessern", sagt Karsten Biller, Projektleiter bei der Deutschen Bundesbank. "Die Praktikabilität der Anwendung, die Ergebnisse für unser Gebäude in Bielefeld und auch das positive Feedback der Projektbeteiligten aus Planung und Errichtung haben den Ansatz des digitalen Prüfstands eindrucksvoll bestätigt."

Beispielgebäude Energy Campus von Stiebel Eltron

Der Energy Campus von Stiebel Eltron ist das bundesweit erste Forschungs- und Schulungszentrum für Energie-Plus-Gebäude.

Auf einer Fläche von rund 3.000 m² werden hier Energieversorgungssysteme der Zukunft, diverse innovative Komponenten und Systeme in mehreren Praxisräumen unter realen Bedingungen erlebbar gemacht.

Die automatisierten Analysen auf dem Prüfstand konnten unter anderem zeigen, dass die Anlage nicht wie geplant lief. So war die Hochtemperatur-Wärmepumpe ständig in Betrieb und erzeugte eine große Wärmemenge, ohne den Pufferspeicher komplett zu laden. Durch die nachträgliche Installation von Rückschlagklappen im Rücklauf der Wärmepumpen und zwischen HT- und NT-Heizkreis ließ sich dieser Fehler korrigieren.

Die anschließende Performance-Prüfung zeigte die erheblich verbesserte Betriebsqualität der HT-Wärmepumpe. Dadurch wurde die Wärmeerzeugung gleichmäßiger auf beide Wärmepumpen verlagert und ein deutlich höherer Gesamtwirkungsgrad erreicht. Umgerechnet bedeutete dies eine Kosteneinsparung von rund 6.400 Euro pro Jahr. Das Monitoring wird seit dem Abschluss der Probebetriebe in einem kontinuierlichen Technischen Monitoring weitergeführt, das weiteres Optimierungspotenzial aufzeigte.

Digitalisierung als Schlüsselinnovation

Das beschriebene methodische Konzept von digitaler Spezifikation und Prüfung hat sich in der Praxis bereits in mehr als 500 Anlagen bewährt. Entscheidend für die Anwendung in der Praxis ist dabei die eingesetzte Technologie: Das gesamte Spezifikations- und Prüfkonzept wurde digitalisiert. So können die Spezifikationen, die Auswertungen und die Visualisierung von Ergebnissen im Dashboard komplett als digitale Vorlagen gespeichert und wiederverwendet werden.

Die Vorteile sind offensichtlich: Die Bearbeitung wird massiv beschleunigt und damit kostengünstiger. Gleichzeitig wird der gesamte Prozess durch Vorlagen robuster und zuverlässiger. So können funktionale Prüfungen als Teil von Zertifizierungen (wie systematische Inbetriebnahmen (DGNB) oder Commissioning (LEED) besonders effektiv und nachvollziehbar umgesetzt werden.

Standard-Dashboard für das Technische Monitoring einer synavision-Kältemaschine

Die Rahmenbedingungen für die Einführung entsprechender Dienstleistungen sind hervorragend: Gerade hat der VDI seine neue Richtlinie 6041 "Technisches Monitoring" vorgestellt. Die intelligente Konzeption des Digitalen Prüfstands ermöglicht nicht nur eine entsprechende Umsetzung, sondern auch eine fast vollständige Digitalisierung des gesamten Prüfprozesses. Spezifikationen, Auswertungen und Visualisierung können durch "copy&paste" schnell und einheitlich angewendet werden.

Die Anwesenheit der Prüfer vor Ort ist in der Regel nicht erforderlich. Zudem wird meist keinerlei zusätzliche Messtechnik installiert. Dadurch können erhebliche Produktivitätspotentiale im Vergleich zu einem konventionellen Monitoring gehoben werden: der Aufwand ist deutlich niedriger, die Aussagekraft in Bezug auf Einsparpotentiale präziser und die Bearbeitung liefert schon im Zuge der Inbetriebnahme wertvolle Ergebnisse.

Damit besteht die Chance, das große Einsparpotenzial bei Gebäuden durch das Qualitätsmanagement für Neuanlagen und die große Zahl bestehender Anlagen zu heben, so dass Gebäude endlich so effizient funktionieren, wie dies technisch schon lange möglich ist.