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FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR BAUPHYSIK IBP

IBP-MITTEILUNG

523

38 (2013) NEUE FORSCHUNGSERGBNISSE, KURZ GEFASST

Michael Eberl, Herbert Sinnesbichler

ENERGIEMANAGEMENTSYSTEM FÜR
ZENTRALHEIZUNGSANLAGEN
VERGLEICHSMESSUNGEN ZU EINER KONVENTIONELLEN HEIZUNGSSTEUERUNG.

Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
Nobelstraße 12, 70569 Stuttgart
Telefon +49 711 970-00
info@ibp.fraunhofer.de
Standort Holzkirchen
Fraunhoferstraße 10, 83626 Valley
Telefon +49 8024 643-0
info@hoki.ibp.fraunhofer.de
Standort Kassel
Gottschalkstraße 28a, 34127 Kassel
Telefon +49 561 804-1870
info@ibp.fraunhofer.de
www.ibp.fraunhofer.de

© Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
Nachdruck oder Verwendung von Textteilen oder Abbildungen nur mit unserer schriftlichen Genehmigung.

Hintergrund
In den meisten Fällen sind traditionelle
Heizungsanlagen außenlufttemperaturgeregelt. Dabei gibt die Heizkurve,
abhängig von der Außenlufttemperatur,
eine zugehörige Sollvorlauftemperatur an.
Das dynamische Verhalten des Gebäudes
auf Änderungen der Umwelteinflüsse, z.B.
interne Wärmequellen und Solarstrahlung,
wird kaum berücksichtigt. Das hier
untersuchte System optimiert den Energieverbrauch des Gebäudes mit Hilfe von
thermodynamischen Berechnungen unter
Einbeziehung des aktuellen Wetters. Es berechnet die Wärmeverluste des Gebäudes,
abhängig von den Wetterbedingungen
und den internen Wärmequellen und passt
dahingehend die Vorlauftemperatur an.
Dadurch können Wärmequellen (Interne
+ solare Einträge) besser genutzt werden.
Die Einbindung in eine bestehende
Heizungsanlage ist technisch einfach
und erfolgt ohne einen direkten Eingriff
in das vorhandene Heizsystem. Die
wesentliche Zielgruppe des Systems ist der
Gebäudebestand im mehrgeschossigen
Wohnungsbau.

Testkonzept
Auf dem Versuchsgelände des FraunhoferInstituts für Bauphysik in Holzkirchen
befinden sich zwei in ihrem Aufbau
identische Häuser. Diese ermöglichen
Vergleichsmessungen an zwei unterschiedlichen Heizungssystemen unter identischen
Randbedingungen. Im Erdgeschoss jedes
Gebäudes wird eine reale Wohnsituation
nachgestellt. Raumsolltemperaturen
werden für jeden Raum vorgegeben. Es
gibt eine mechanische Lüftungsanlage mit
Wärmerückgewinnung. Auf eine zusätzliche
Fensterlüftung wird verzichtet. Der Energieverbrauch (Gasverbrauch, Hilfsenergie)
und die aktuellen Isttemperaturprofile
(Raum und Systemtemperaturen) der beiden
Gebäude werden gemessen und verglichen.
Testgebäude
Beide Gebäude verfügen jeweils über einen
Keller, ein Erd- und ein Dachgeschoss.
Sie sind gleich ausgerichtet und verschattungsfrei angeordnet. Die Wohnfläche des
Erdgeschosses beträgt rund 82 m². Für die
Versuche wird nur das Erdgeschoss betrachtet. Die elektrischen Heizkörper im Keller
(Solltemperatur 16° C) und im Dachgeschoss
Abgas

Raumtemperaturen

Raumtemperaturen

ERDGESCHOSS
Elektr. Heizleistung
Interne Wärmequellen

Elektr. Heizleistung
Interne Wärmequellen

Systemtemperaturen
Elektr. Leistung
K inderChildren´s
zimmer
bedroom

Entrance
Eingang

Elektr. Leistung

Parent´s
Elternschlafzimmer
bedroom

Volumenstrom

KELLER

BadeBathzimmer
room

Nordwand des
Gebäudes

Lufttemperatur

Flur
Floor

Gasmassenstrom

WLiving room
ohnzimmer

K üche
Kitchen

1

2

(Solltemperatur 21° C) sind nicht Teil der
energetischen Bilanzierung, sie stellen nur
identische Randbedingungen sicher.
Heizungssystem
Beide Gebäude werden von baugleichen
Gasbrennwertthermen im Keller beheizt.
Die Heizkurve ist an das Heizsystem
angepasst. Es wird eine Nachtabsenkung
eingestellt. Die restlichen Parameter verbleiben in Werkseinstellung. Als Heizflächen
im Erdgeschoss dienen Flachheizkörper
mit Thermostatventilen. Das Heizsystem ist
hydraulisch abgeglichen. Es gibt nur einen
Heizkreis. Die ungeregelte Umwälzpumpe
ist in die Brennwerttherme integriert.
Untersuchtes System
Beim Gebäude mit Energiemanagementsystem wird anstelle des bestehenden Gehäuses eine Klimakammer über den Außentemperaturfühler der Heizungsanlage gesetzt.
Diese kann durch ein Peltier-Element geheizt
werden, wodurch die Möglichkeit besteht
die außentemperaturgeführte Vorlauftemperatur anzupassen. Die Klimakammer ist
mit einem Server im Keller des Gebäudes
verbunden. Anlegefühler messen die Vorund Rücklauftemperatur des Heizkreises.
Funksensoren messen die Raumtemperaturen in jedem Raum des Erdgeschosses und
senden die Werte an eine Empfängerstation.
Eine kleine Wetterstation liefert dem System
die aktuellen Wetterdaten.
Tabelle 1: mittlere Raumlufttemperaturen
(ohne Zeiten in Nachtabsenkung)

Raumsolltemperaturen
Für die Räume werden individuelle Raumsolltemperaturen (Bad 24° C, Elternschlafzimmer 18° C, verbleibende Räume 21° C)
festgesetzt und an den Thermostatköpfen
eingestellt.
Interne Wärmequellen
Die Gebäude werden während der Untersuchungen nicht bewohnt. Die Wärmeabgabe
von Personen, Haushaltsgeräten und der
Beleuchtung wird mit elektrisch beheizten
Simulatoren in das Gebäude eingebracht
(gemäß vordefinierter Zeitprofile).
Messtechnik
Beide Gebäude sind mit umfangreicher
Messtechnik ausgestattet. Es werden die
Temperaturen in den einzelnen Räumen
(Luft und operativ), die elektrischen
Leistungen der interne Wärmequellen, alle
relevanten Systemtemperaturen, Gasmassen- und Volumenströme und die elektrische
Leistungsaufnahme der Therme (Steuerung
+ Pumpe) erfasst. Die institutseigene Wetterstation liefert die lokalen Wetterdaten.
Nullmessung
Zu Beginn der Untersuchungen findet
eine neuntägige Nullmessung statt. Durch
diese wird die Vergleichbarkeit der beiden
Gebäude (inklusive der Anlagentechnik)
vor der Installation des zu untersuchenden
Systems überprüft.
Diagramm 1: Monatlicher Gasverbrauch
90

Kinderzimmer

TEST
Gebäude
20.7

21.2

Wohnzimmer

21.2

21.5

Küche

20.9

21.4

Badezimmer

23.3

Referenzgebäude
REFERENCE building

75

REFERENZ
Gebäude
Gasverbrauch [kg]

Mittelwert der Raumlufttemperatur

100 %
67.9

60

45

88.2 %
59.9

TEST building
Testgebäude

100 %
52.9 86.4 %
45.7

100 %
45.5 85.5 %
38.9

24.2

Elternschlafzimmer

18.7

18.8

Gewichteter Durchschnitt

20.8

21.2

100 %

30

28.0
15

0

15. - 31.January
31. Januar

February
Februar

2013

March
März

Ergebnisse
Die Sonnenscheinstunden im ersten
Quartal 2013 sind unterhalb des langjährigen Mittels. Dadurch wird die Nutzung
von solaren Gewinnen reduziert. In der
untersuchten Messperiode (15. Januar bis
30. April 2013) spart das Testgebäude gegenüber dem Referenzgebäude 14,4  % am
Gasverbrauch (Diagramm 1, monatlicher
Gasverbrauch) ein. Berücksichtigt man das
Ergebnis der Nullmessung, beträgt die Einsparung 12,8  %. Aufgrund der geringeren
Vorlauftemperaturen sind die Volumenströme höher. In den Übergangszeiten
sind die Laufzeiten der Umwälzpumpe
hingegen geringer. Die zusätzlich durch das
untersuchte System verbrauchte elektrische
Energie (Server inkl. Klimakammer) beträgt
rund 44 kWh. Die Raumtemperaturen
sind im Vergleich zum Referenzgebäude
etwas geringer (Tabelle 1). Im Badezimmer
ist der Unterschied am größten. Diese
Abweichung wird unter anderem durch
die Ausrichtung des Badezimmers
verursacht, welches ein Ostfenster besitzt.
Dadurch können solare Gewinne nur in
den Morgenstunden genutzt werden. In
Wohnzimmer, Küche und Kinderzimmer
(Süd- und Westfenster) hingegen können
solare Gewinne vom späten Vormittag
bis zum späten Nachmittag genutzt
werden. Dieser Effekt tritt vor allem an den
Testgebäuden auf (ein Heizkreis, Räume in
alle vier Himmelsrichtungen). Das getestete
System wurde für die Anwendung im
mehrgeschossigen Wohnungsbau
entwickelt. Dort gibt es üblicherweise
mehrere Heizkreise wodurch eine bessere
Anpassung möglich ist. Das untersuchte
Energiemanagementsystem (EE²) ist
ein Produkt des schwedisch-deutschen
Unternehmens ECOFECTIVE.

78.2 %
21.9

April

1 Südwestansicht der Testgebäude
2 Heizsystem mit den Messstellen

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  • 1. FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR BAUPHYSIK IBP IBP-MITTEILUNG 523 38 (2013) NEUE FORSCHUNGSERGBNISSE, KURZ GEFASST Michael Eberl, Herbert Sinnesbichler ENERGIEMANAGEMENTSYSTEM FÜR ZENTRALHEIZUNGSANLAGEN VERGLEICHSMESSUNGEN ZU EINER KONVENTIONELLEN HEIZUNGSSTEUERUNG. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP Nobelstraße 12, 70569 Stuttgart Telefon +49 711 970-00 info@ibp.fraunhofer.de Standort Holzkirchen Fraunhoferstraße 10, 83626 Valley Telefon +49 8024 643-0 info@hoki.ibp.fraunhofer.de Standort Kassel Gottschalkstraße 28a, 34127 Kassel Telefon +49 561 804-1870 info@ibp.fraunhofer.de www.ibp.fraunhofer.de © Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP Nachdruck oder Verwendung von Textteilen oder Abbildungen nur mit unserer schriftlichen Genehmigung. Hintergrund In den meisten Fällen sind traditionelle Heizungsanlagen außenlufttemperaturgeregelt. Dabei gibt die Heizkurve, abhängig von der Außenlufttemperatur, eine zugehörige Sollvorlauftemperatur an. Das dynamische Verhalten des Gebäudes auf Änderungen der Umwelteinflüsse, z.B. interne Wärmequellen und Solarstrahlung, wird kaum berücksichtigt. Das hier untersuchte System optimiert den Energieverbrauch des Gebäudes mit Hilfe von thermodynamischen Berechnungen unter Einbeziehung des aktuellen Wetters. Es berechnet die Wärmeverluste des Gebäudes, abhängig von den Wetterbedingungen und den internen Wärmequellen und passt dahingehend die Vorlauftemperatur an. Dadurch können Wärmequellen (Interne + solare Einträge) besser genutzt werden. Die Einbindung in eine bestehende Heizungsanlage ist technisch einfach und erfolgt ohne einen direkten Eingriff in das vorhandene Heizsystem. Die wesentliche Zielgruppe des Systems ist der Gebäudebestand im mehrgeschossigen Wohnungsbau. Testkonzept Auf dem Versuchsgelände des FraunhoferInstituts für Bauphysik in Holzkirchen befinden sich zwei in ihrem Aufbau identische Häuser. Diese ermöglichen Vergleichsmessungen an zwei unterschiedlichen Heizungssystemen unter identischen Randbedingungen. Im Erdgeschoss jedes Gebäudes wird eine reale Wohnsituation nachgestellt. Raumsolltemperaturen werden für jeden Raum vorgegeben. Es gibt eine mechanische Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung. Auf eine zusätzliche Fensterlüftung wird verzichtet. Der Energieverbrauch (Gasverbrauch, Hilfsenergie) und die aktuellen Isttemperaturprofile (Raum und Systemtemperaturen) der beiden Gebäude werden gemessen und verglichen. Testgebäude Beide Gebäude verfügen jeweils über einen Keller, ein Erd- und ein Dachgeschoss. Sie sind gleich ausgerichtet und verschattungsfrei angeordnet. Die Wohnfläche des Erdgeschosses beträgt rund 82 m². Für die Versuche wird nur das Erdgeschoss betrachtet. Die elektrischen Heizkörper im Keller (Solltemperatur 16° C) und im Dachgeschoss
  • 2. Abgas Raumtemperaturen Raumtemperaturen ERDGESCHOSS Elektr. Heizleistung Interne Wärmequellen Elektr. Heizleistung Interne Wärmequellen Systemtemperaturen Elektr. Leistung K inderChildren´s zimmer bedroom Entrance Eingang Elektr. Leistung Parent´s Elternschlafzimmer bedroom Volumenstrom KELLER BadeBathzimmer room Nordwand des Gebäudes Lufttemperatur Flur Floor Gasmassenstrom WLiving room ohnzimmer K üche Kitchen 1 2 (Solltemperatur 21° C) sind nicht Teil der energetischen Bilanzierung, sie stellen nur identische Randbedingungen sicher. Heizungssystem Beide Gebäude werden von baugleichen Gasbrennwertthermen im Keller beheizt. Die Heizkurve ist an das Heizsystem angepasst. Es wird eine Nachtabsenkung eingestellt. Die restlichen Parameter verbleiben in Werkseinstellung. Als Heizflächen im Erdgeschoss dienen Flachheizkörper mit Thermostatventilen. Das Heizsystem ist hydraulisch abgeglichen. Es gibt nur einen Heizkreis. Die ungeregelte Umwälzpumpe ist in die Brennwerttherme integriert. Untersuchtes System Beim Gebäude mit Energiemanagementsystem wird anstelle des bestehenden Gehäuses eine Klimakammer über den Außentemperaturfühler der Heizungsanlage gesetzt. Diese kann durch ein Peltier-Element geheizt werden, wodurch die Möglichkeit besteht die außentemperaturgeführte Vorlauftemperatur anzupassen. Die Klimakammer ist mit einem Server im Keller des Gebäudes verbunden. Anlegefühler messen die Vorund Rücklauftemperatur des Heizkreises. Funksensoren messen die Raumtemperaturen in jedem Raum des Erdgeschosses und senden die Werte an eine Empfängerstation. Eine kleine Wetterstation liefert dem System die aktuellen Wetterdaten. Tabelle 1: mittlere Raumlufttemperaturen (ohne Zeiten in Nachtabsenkung) Raumsolltemperaturen Für die Räume werden individuelle Raumsolltemperaturen (Bad 24° C, Elternschlafzimmer 18° C, verbleibende Räume 21° C) festgesetzt und an den Thermostatköpfen eingestellt. Interne Wärmequellen Die Gebäude werden während der Untersuchungen nicht bewohnt. Die Wärmeabgabe von Personen, Haushaltsgeräten und der Beleuchtung wird mit elektrisch beheizten Simulatoren in das Gebäude eingebracht (gemäß vordefinierter Zeitprofile). Messtechnik Beide Gebäude sind mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet. Es werden die Temperaturen in den einzelnen Räumen (Luft und operativ), die elektrischen Leistungen der interne Wärmequellen, alle relevanten Systemtemperaturen, Gasmassen- und Volumenströme und die elektrische Leistungsaufnahme der Therme (Steuerung + Pumpe) erfasst. Die institutseigene Wetterstation liefert die lokalen Wetterdaten. Nullmessung Zu Beginn der Untersuchungen findet eine neuntägige Nullmessung statt. Durch diese wird die Vergleichbarkeit der beiden Gebäude (inklusive der Anlagentechnik) vor der Installation des zu untersuchenden Systems überprüft. Diagramm 1: Monatlicher Gasverbrauch 90 Kinderzimmer TEST Gebäude 20.7 21.2 Wohnzimmer 21.2 21.5 Küche 20.9 21.4 Badezimmer 23.3 Referenzgebäude REFERENCE building 75 REFERENZ Gebäude Gasverbrauch [kg] Mittelwert der Raumlufttemperatur 100 % 67.9 60 45 88.2 % 59.9 TEST building Testgebäude 100 % 52.9 86.4 % 45.7 100 % 45.5 85.5 % 38.9 24.2 Elternschlafzimmer 18.7 18.8 Gewichteter Durchschnitt 20.8 21.2 100 % 30 28.0 15 0 15. - 31.January 31. Januar February Februar 2013 March März Ergebnisse Die Sonnenscheinstunden im ersten Quartal 2013 sind unterhalb des langjährigen Mittels. Dadurch wird die Nutzung von solaren Gewinnen reduziert. In der untersuchten Messperiode (15. Januar bis 30. April 2013) spart das Testgebäude gegenüber dem Referenzgebäude 14,4  % am Gasverbrauch (Diagramm 1, monatlicher Gasverbrauch) ein. Berücksichtigt man das Ergebnis der Nullmessung, beträgt die Einsparung 12,8  %. Aufgrund der geringeren Vorlauftemperaturen sind die Volumenströme höher. In den Übergangszeiten sind die Laufzeiten der Umwälzpumpe hingegen geringer. Die zusätzlich durch das untersuchte System verbrauchte elektrische Energie (Server inkl. Klimakammer) beträgt rund 44 kWh. Die Raumtemperaturen sind im Vergleich zum Referenzgebäude etwas geringer (Tabelle 1). Im Badezimmer ist der Unterschied am größten. Diese Abweichung wird unter anderem durch die Ausrichtung des Badezimmers verursacht, welches ein Ostfenster besitzt. Dadurch können solare Gewinne nur in den Morgenstunden genutzt werden. In Wohnzimmer, Küche und Kinderzimmer (Süd- und Westfenster) hingegen können solare Gewinne vom späten Vormittag bis zum späten Nachmittag genutzt werden. Dieser Effekt tritt vor allem an den Testgebäuden auf (ein Heizkreis, Räume in alle vier Himmelsrichtungen). Das getestete System wurde für die Anwendung im mehrgeschossigen Wohnungsbau entwickelt. Dort gibt es üblicherweise mehrere Heizkreise wodurch eine bessere Anpassung möglich ist. Das untersuchte Energiemanagementsystem (EE²) ist ein Produkt des schwedisch-deutschen Unternehmens ECOFECTIVE. 78.2 % 21.9 April 1 Südwestansicht der Testgebäude 2 Heizsystem mit den Messstellen