Universität des Saarlandes als Energie-Mustercampus Gebäudeautomations- und EMS-System

Betriebsoptimierung in Hochschulen

Im Rahmen des Projektes „Energiemustercampus UdS: Liegenschaftsweite Energieverbrauchsoptimierung (EULE)“ strebt die Universität des Saarlandes (UdS) eine Betriebsoptimierung der Hochschule sowie ihre Weiterentwicklung zu einem Energie-Mustercampus an. Der Artikel beleuchtet die unterschiedlichen Methoden und Werkzeuge.

Ein Projektkonsortium aus Ingenieuren, Betriebswirtschaftlern und Psychologen soll bis 2017 an Referenzgebäuden verschiedene Untersuchungsschritte sowie Maßnahmen durchführen, um das geschätzte Einsparpotenzial von etwa 30 % auf dem Campus zu erreichen. Ein Schwerpunkt im technischen Bereich liegt dabei auf der Gebäudeautomation. Das FM-Unternehmen Sauter, dessen Gebäudeautomationssystem bereits seit 1998 und dessen Energiemanagementsystem (EMS) seit 2009 auf dem Campus im Einsatz ist, wurde zunächst damit beauftragt, ausgewählte CampusGebäude hinsichtlich der Gebäudeautomation zu sanieren, zum Teil an die EMS-Ebene anzuschließen sowie weitere benötigte Automationskomponenten nachzuinstallieren. Außerdem werden bei drei Gebäuden Wärme-, Energie- und Wasserverbrauch überwacht. Diese ins System eingespeisten Daten bilden die Basis für den systematischen Vergleich des Energieverbrauchs bei variablen Rahmenbedingungen sowie für ein technisches, wirtschaftliches und umweltpsychologisches Modell zur Energieverbrauchsprädiktion, das auch für andere Universitäten anwendbar sein soll.

„Der größte Teil der Gebäude der UdS befindet sich auf dem Campus Saarbrücken. Im Bestand sind verschiedenste Baujahre und klimatechnische Standards repräsentiert, von Kasernen aus der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts über typische Hochschulbauten aus den 50er bis 70er Jahren bis zu neuen und umfassend sanierten Gebäuden“, so Dipl.-Ing. Philipp Bauer vom Lehrstuhl für Automatisierungstechnik der UdS und Mitglied des Projektkonsortiums. Das Automationssystem ist in insgesamt etwa 50 dieser Gebäude installiert, das EMS kommt in zwölf davon zum Einsatz und verzeichnete bei älteren, schlecht isolierten Gebäuden zum Teil relativ hohe Strom- und Fernwärmekosten, was unter anderem den Anstoß für das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderte Projekt EULE gab.

Methoden und Werkzeuge zur Betriebsoptimierung

„Das übergeordnete Ziel der Universitätsleitung ist es, den Energieverbrauch des gesamten Campus um etwa 30 % zu senken“, so Bauer. „Um vorhandene Mittel optimal einsetzen zu können, werden unterschiedliche Energieeffizienzmaßnahmen an Repräsentativgebäuden untersucht, die anschließend als Referenzobjekte für andere universitäre Liegenschaften in Deutschland dienen.“ Berücksichtigt werden muss dabei nicht nur der oft veraltete, über Jahrzehnte gewachsene Gebäudebestand, sondern auch die spezielle universitäre Nutzung der Räume als Büro, Labor oder zur Lehre. Das zu diesem Zweck gegründete Projektkonsortium aus dem Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, dem Lehrstuhl für Betriebswirtschaft (insbesondere Controlling) und der Forschungsgruppe Umweltpsychologie an der UdS erstellte hierfür spezielle Methoden und Werkzeuge zur energetischen Betriebsoptimierung, die auch auf andere universitäre Liegenschaften übertragbar sind und anhand von Fallstudien weiterentwickelt werden. Letztlich soll ein gemeinsames theoretisches Modell der Einflussnahme zur energieoptimierten Nutzung von öffentlichen Gebäuden entstehen.

Sanierung der Gebäudeautomation

Als erster Schritt dorthin wurde zunächst der Ist-Zustand bestimmt, das heißt eine technische Bestandsaufnahme der Gebäude und Systeme auf dem Campus unter energetischen Gesichtspunkten durchgeführt. „Einige Gebäude waren von der installierten Technik her veraltet und die für die Durchführung der Fallstudien beziehungsweise das Monitoring der Gebäude notwendige Infrastruktur war nicht vorhanden“, erläutert Michael Sieb, Verantwortlicher Planung und Vertrieb Sauter Systems. Daher wurden zunächst ausgewählte Gebäude auf dem Campus hinsichtlich der Gebäudeautomation saniert, teilweise an die EMS-Ebene angeschlossen sowie für die Umsetzung der Fallstudien notwendige Komponenten nachinstalliert. „Wir haben modulo 5-Raumautomationsstationen verbaut sowie an den Eingängen Raumbediengeräte, die auf die Automationsstationen aufgeschaltet und entsprechend programmiert werden können“, so Sieb. In Zusammenarbeit mit Sauter waren außerdem bereits zuvor im Rahmen der Gebäudeautomation alle Heizungsan­lagen in den Einzelgebäuden hinsichtlich der Zeitschaltpläne zu Nacht- und Wochenendabsenkung, der Heizkurven und einer möglichen vollständigen Abschaltung im Sommer optimiert worden. Die wesentlichen Kälteanlagen wurden dabei hinsichtlich der Betriebsweise, die Lüftungsanlagen hinsichtlich Betriebszeiten, Volumenstrom, Druckverlust und weiterer relevanter Faktoren überprüft sowie gegebenenfalls neu eingestellt. Je nach Nutzung wurde zusätz­liche Sensorik wie Taster oder Präsenzmelder zur Ein- und Abschaltung der Anlagen installiert.

Eine wichtige Maßnahme war außerdem, die vollständige Erfassung sämtlicher Energiezähler über das Gebäudeautomationssystem sowie zusätzlich besonders energieintensive Technik wie große Lüftungs- und Kälteanlagen. Das geschah überwiegend mit einem M-Bus-System, so dass neben Verbrauchswerten in einstellbaren Zeitschritten auch die Durchflussmengen festgehalten werden können. „Wir haben für die Raumautomation das universitätsinterne Netzwerk genutzt. Sie wird über eine BACnetStation eingeschaltet, über die Netzwerkanschlüsse dem jeweiligen Raum zugeordnet und anschließend zur übergeordneten Managementebene geroutet“, so Sieb. „Außerdem mussten noch Verkabelungsarbeiten durchgeführt und an jedem Radiator ein Oberflächentemperaturfühler angebracht werden.“ Parallel zu den Optimierungsmaßnahmen wurde vom Lehrstuhl für Automatisierungstechnik ein Monitoring-Konzept entwickelt, mit dem die Einsparerfolge detailliert dokumentiert werden können. Dies umfasst sowohl die Datenerfassung der Energieverbräuche als auch die der relevanten Systemparameter des Gebäudebetriebs.

Verbrauchsdaten als Basis für das Prädiktionsmodell

Die Daten aus verschiedenen Verbrauchsszenarien werden über das Gebäudeautomations- bzw. das EMS-System gesammelt. „Auf diese Daten hat der Lehrstuhl für Automatisierungstechnik über das universitätseigene Netzwerk direkten Zugriff. So kann Philipp Bauer jederzeit überprüfen, was in den einzelnen Räumen vor sich geht. Geschieht etwas ungewöhnliches, sendet das System sogar eine E-Mail“, erläutert Sieb. Das EMS wurde so eingerichtet, dass Bauer auch die Lastprofile der Räume überwachen kann. Zur Erfassung aller notwendigen Daten erstellte der Wissenschaftler zuvor ein Programm, das den Verbrauch für einzelne Heizkörper ermittelt und den Energieverbrauch raumweise aufschlüsselt. „Das war notwendig, weil nicht jedes Gebäude einen eigenen Heizstrang hat. Wir mussten also auf einzelne Heizanlagen gehen, um den Verbrauch bestimmen zu können“, so Bauer.

Diese Daten dienen als Basis für den systematischen Vergleich des Energieverbrauchs der Gebäude unter variablen technischen, betriebswirtschaftlichen und psychologischen Rahmenbedingungen. Im nächsten Schritt werden in das bereits entwickelte Modell zur Energieverbrauchsprädiktion die Erkenntnisse von Wirtschaftswissenschaft und Umweltpsychologie integriert und somit ein gemeinsames, flexibel parametrierbares Tool geschaffen, das zur Prädiktion des Einflusses verschiedener Maßnahmen sowie ihrer Auswirkungen eingesetzt werden kann und auch für andere Universitäten geeignet ist.

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