Regenerative Energien im Gebäude nutzen

Die Nutzung erneuerbarer Energiequellen für die Wärme- und Kälteversorgung in Gebäuden biete heute beste Möglichkeiten um den Einsatz fossiler Energieträger und die damit verbunden klimaschädlichen Emissionen zu vermeiden. Erneuerbare Energiequellen wie die solare Einstrahlung sind aber im Unterschied zu fossilen Energieträgern nicht per Knopfdruck verfügbar, sondern fallen je nach Wetterbedingungen, Lage des Gebäudes und Jahreszeit unkontrolliert an. Ihre Nutzung ist kostenlos. Für die Nutzung müssen aber in der Regel aufwändige Wandler und Systeme installiert werden. Diese müssen sorgfältig geplant und betrieben werden um unnötige Kosten zu vermeiden und möglichst maximale Erträge zu erwirtschaften. Die regenerativen Energiesysteme sind meist in vorhandene konventionelle Systeme eingebunden. Bei der Konzeption der Steuer- und Regeleinrichtung kommt es nun entscheidend darauf an, die Automation der Anlagen so zu gestalten, dass vorrangig erneuerbare Energiequellen zum Einsatz kommen und der Deckungsanteil fossiler Energieträger minimiert wird.

Das oft nicht zum Energiebedarf passende regenerative Energieangebot wird anhand der wichtigsten Zusammenhänge dargestellt. Die solare Einstrahlung und Strahlungsdatensätze sind für Auslegung und Betrieb unbedingt notwendig. Auf der Grundlage der Sonnenposition und dem Witterungseinfluss werden die Strahlungskomponenten wie auch die jahreszeitlich abhängige Einstrahlung auf verschiedene Flächenneigungen und Flächenorientierungen dargestellt. Hinsichtlich der Erdwärmenutzung durch vertikale Erdwärmesonden sowie horizontale Kollektoren ist primär die oberflächennahe Geothermie von Bedeutung. Umweltwärme kann dagegen durch Wärmepumpen genutzt werden.

Für die Einschätzung von Optimierungspotentialen ist auch die Kenntnis des Gebäudeenergiebedarfes erforderlich. Neben den Verlusten und Bedarfen werden auch die Wärmegewinne bzw. Wärmelasten erläutert. Die Grundzüge der verschiedenen Komponenten werden u.a. anhand der einschlägigen Berechnungsmethoden entsprechend der Energieeinsparverordnung (EnEV) dargestellt.

Durch die Variabilität des regenerativen Energieangebotes einerseits und des an der Nutzung orientierten Bedarfes andererseits entstehen besondere Anforderungen an den Betrieb von Anlagen. Dabei können Speicher zufällige Schwankungen wie auch systematische Verschiebungen zwischen Angebot und Bedarf ausgleichen. Gerade angepasste Automationsstrategien für die Steuerung und Regelung regenerativer Energiesysteme leisten einen maßgeblichen Beitrag zur Optimierung des Energieeinsatzes in Gebäuden.

Für die Energiewandlung stehen regenerative Energiequellen wie solare Einstrahlung, Erdwärme und Umgebungswärme zur Verfügung. Mit Hilfe spezieller Wandler können diese Ressourcen der Nutzung zugeführt werden. Dazu gehören Sonnenkollektoren, Erdwärmesonden und Kältemaschinen. Sie sammeln die Energie ein und konvertieren sie auf auf ein Temperaturniveau, das so hoch liegt, dass es für die Wärmenutzung geeignet ist. Bei den Kältemaschinen wird zwischen elektrisch und thermisch angetrieben Maschinen unterschieden.

Die beiden Hauptaufgaben eines Wärmespeichers bestehen darin, zu Zeiten eines Überangebotes Wärme aufzunehmen und diese entsprechend des Bedarfs an den Nutzer abzugeben. Die drei Funktionsbereiche einer Heiz- oder Kälteanlage sind: Nutzenübergabe, Verteilung und Erzeugung. Eine an den Bedarf angepasste und damit Energie sparende Nutzenübergabe einerseits und ein von Übergabezwängen unabhängiger Erzeugerbetrieb andererseits sind nur möglich, wenn ein Wärmespeicher das Erzeugersystem vom Rest der Anlage vollständig

hydraulisch und thermisch entkoppelt. Daraus lassen sich Anforderungen an den Speicher, an dessen hydraulische Einbindung und an die Regelung und Steuerung ableiten. Der Speicher muss bezüglich Leistung und Speicherkapazität so dimensioniert werden, dass der gewünschte Ausgleich möglich ist. Zur Vermeidung von Exergieverlusten vor allem in Verbindung mit Wärmepumpen und Kältemaschinen müssen Mischungsvorgänge im Speicher möglichst verhindert werden. Abhängig vom ermittelten Ladezustand müssen Erzeugersysteme geschaltet oder moduliert und Be- und Entladevorgänge gesteuert werden.

In diesem zentralen Buchkapitel wird nun die Umsetzung der Automatisierung von Solaren Trinkwassersystemen, Solarunterstützter Gebäudeheizung, Räumen, solaren Kühlsystemen, Wärmepumpen-Heizsystemen, geothermischen Systemen und thermisch aktivierten Bausteilsystemen im Einzelnen aufgezeigt. Mit Hilfe von Hydraulik- und Automationsschemata wird die Funktionsweise der Automatisierung dieser Systeme erläutert. Durch einen detaillierten Einblick in die ingenieurwissenschaftlichen und technischen Zusammenhänge bei der Nutzung dieser Systeme sowie Einsatz von Simulationswerkzeugen kann eine effektive Steuerung und Regelung erfolgen. Anlagenkennlinien und systematisches Vorgehen unterstützen den Automatisierer bei seinen Aufgaben.

Bei Anlagen der Energieversorgung und der Technischen Gebäudeausrüstung nehmen die Betriebs- und die Versorgungssicherheit den höchsten Stellenwert ein. An zweiter Stelle stehen ökonomischer Betrieb und Aspekte der Primärenergieeinsparung und Umweltschonung. In vielen Fällen handelt es sich um gleichrangige Ziele, da bei der Einsparung von klassischen Energieträgern auch Kosten eingespart werden.

Auf der Basis von automatisierungstechnischen Einrichtungen stehen unterschiedliche Möglichkeiten zur Datenerfassung und zum Energiecontrolling zur Verfügung. Anlagenkonzept und Regelungskonzept müssen in Hinsicht auf eine möglichst hohe Energieeffizienz gestaltet und optimiert werden. Die Überprüfung der Betriebsweise erfolgt dann im Regelfall über eine Datenerfassung (Monitoring).

Automationsgeräte bzw. Automationsstationen (AS) übernehmen die Aufgabe, gebäudetechnische Anlagen und deren Anlagenkomponenten (z.B. Pumpen, Verdichter, Ventilatoren) basierend auf erfassten Prozeßgrößen zu steuern, zu regeln, zu überwachen und gegenfalls zu optimieren. Hierzu kommen eine breite Bandbreite an Steuerungs – und Regelungsverfahren zum Einsatz, beginnend bei einfachen Zweipunktreglern, über klassische PID-Regler bis hin zu höherwertigen Regelungen wie z.B. adaptive, modellprädiktive, wissensbasierte oder selbstlernende Regler.

Das Kapitel geht ausgehend von einer knappen Einführung in die Automatisierungstechnik (Kapitel 7.1) auf die Struktur und Funktionsweise der üblichen Kompaktregler anhand der Anwendungsbeispiele Automation von thermischen Solaranlagen sowie Automation von Wärmepumpenanlagen ein (Kapitel 7.2). Schließlich wird anhand konkreter Anwendungsbeispiele die Einbindung der Anlagenautomation in eine übergeordnete Gebäudeautomation und ins Gebäudemanagement beschrieben (Kapitel 7.3).