Büroneubau DIAL

Vorstellung eines neuen Gebäudeklimakonzepts
Büroneubau DIAL (PresseBox) (Lüdenscheid, ) In diesem zweigeteilten Beitrag wird das Gebäudeklimakonzept eines Bürogebäudeneubaus vorgestellt. Architektur und technisches Gesamtkonzept der Anlagengruppen 1- 8 gemäß HOAI (Gebäude-System-Design) stammen aus der Feder von DIAL und wurden u. a. in Arbeitsgemeinschaft mit dem Ingenieurbüro Timmer und Reichel aus Haan weiterentwickelt. Im ersten Teil beschreibt Dr.-Ing. Wolfgang Reichel das Konzept "Im Spannungsfeld der EnEV, des Klimakonzeptes und der Wahl der Energieversorgung", während Andreas Bossow im zweiten Teil auf "gewerkeübergreifende Anforderungen an die Regelungstechnik und die Einbindung verschiedener digitaler Systeme" eingeht.

Teil 1: Im Spannungsfeld der EnEV, des Klimakonzeptes und der Wahl der Energieversorgung

Die Fortschreibung der Energieeinsparverordnung (EnEV) ist erfolgt und damit die Verknüpfung des Gebäudes mit der Technischen Gebäudeausrüstung verankert. Ein schlechtes Gebäude könnte durch bessere Technik ausgeglichen werden, was natürlich nicht zielführend ist. In der vorliegenden Betrachtung wird vielmehr gezeigt was in einem hochwärmegedämmten Gebäude von der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA) übrig bleibt. Zunächst steigen die Anforderungen an die Planung da Simulationen erforderlich werden und damit Rückwirkungen auf die Architektur. Die separate Heizung entfällt da diesen Teil die Lufttechnische Anlage übernimmt mit der Konsequenz der ausschließlichen Elektroenergieversorgung. Hocheffiziente Komponenten bilden die Anlagentechnik mit dem Ziel selbst aus der Fortluft noch Restenergie zu holen. Die Anforderungen an die Regelungstechnik steigen da gewerkeübergreifend (Licht, Wärme, Kälte, Präsenz usw.) gesteuert wird. Der Primärenergieeinsatz sollte dann stark rückläufig sein.

Der Gebäudeentwurf mit Blick auf die zukünftige Energieversorgung

Die stark gestiegenen Energiepreise der letzten Jahre führen inzwischen zu neuen Überlegungen bei Gebäudeentwürfen. Das Ziel ist die Minimierung des Energieeinsatzes der Technischen Gebäudeausrüstung. Es stellt sich die Frage nach der weiteren Energiepreisentwicklung. Die Endlichkeit der fossilen Energieträger lassen keine Preisobergrenze erkennen. Nachwachsende Rohstoffe sind ebenfalls keine Lösung da sie im Wettbewerb mit der Nahrungsmittel-produktion stehen. Von den regenerativen Energien dürften vor allem die stromproduzierenden Formen an Bedeutung gewinnen [1].

Da Sonne und Wind kostenlos zur Verfügung stehen, werden sich weitere Energiepreissteigerungen an den notwendigen Komponenten einschließlich der Netze und Speicher festmachen lassen. Die Verdopplung der Elektroenergie-preise in den nächsten Jahren sollte deshalb in die weiteren Überlegungen einfließen. Allerdings dürften weitere Preissteigerungen moderat ausfallen, da das Energieangebot kostenlos bleibt. Der nachhaltige Entwurf des vorgestellten Bürogebäudes setzt deshalb auf:

- noch zumutbare Investitionen in statische Systeme wie Wärmedämmung oder Speichermasse,
- Verzicht auf konventionelle Systeme der Technischen Gebäudeausrüstung wie Heizung,
- Konzentration auf Luft zur Be- und Entlüftung und Temperierung,
- Minimierung der zu transportierenden Luftmenge,
- Gesamtsystemversorgung nur mit einem Energieträger der Elektroenergie.

Der Jahresprimärenergiebedarf der aktuellen EnEV sollte um mindestens 20% unterschritten werden. In den Büroflächen ist der Glasanteil der Fassaden etwas zurückgenommen worden, um den sommerlichen Wärmeschutz zu optimieren und die Speichermassen in ihrer Wirkung zeitlich zu strecken.

Gebäude- und Technikkonzept

Das Auftaktbild zeigt den kompakten zweigeschossigen Büroneubau DIAL. Zu erkennen ist die nahezu raumhohe Verglasung in der Lochfassade und zu erahnen die Dimensionen der Wärmedämmung. Die mineralische Außenwanddämmung der Klasse WLG 035 besteht aus der Schichtdicke von 30 cm. Größter Wert wurde auf Speichermasse (armierter Beton, Dichte 2500 kg/ m³) gelegt die über große Flächen dem Raum zugänglich ist. Im Bild 2 ist ein Raumschnitt erkennbar der die wesentlichen Komponenten zeigt. Eine Heizung sucht man vergeblich da infolge des minimalen Wärmebedarfs nur zu Wochenbeginn die Anheizung erforderlich ist und über Luft erfolgt. Die lufttechnischen Komponenten sind im Doppelboden konzentriert und lassen Freiraum für die Zugänglichkeit der Speichermasse. Über eine Gebäude-simulation wurden die Einflüsse der inneren Lasten des Raumes wie Beleuchtung, Personenbelegung oder PC-Nutzung mit den äußeren Belastungen der Solarstrahlung konfrontiert. Natürlich ist ein sehr guter äußerer Sonnenschutz vorhanden, so dass die Einflüsse von außen an Bedeutung verlieren. Zusätzlich wird die Beleuchtungssteuerung etwas von der Raumtemperaturregelung beeinflusst. Nach umfangreichen Simulationen und Abwägungen konnte die Anlagentechnik auf einen zweifachen Luftwechsel ausgelegt werden. Bezogen auf Luftwechselzahlen von 10 bis 12 aus der Zeit konventioneller Klimatechnik ist hier ein erheblicher Schritt in Richtung Minimierung der Technik erfolgt.

ln Bild 3 ist die Raumtemperatursimulation für den Sommerfall visualisiert [2]. Gleichzeitig wurden Variationen der Wärmedämmdicke und Speichermassen dargestellt. Erkennbar sind die ungünstige Wirkung einer abgehängten Decke und der starke Einfluss der Speichermasse. Der Einfluss der Wärmedämmung wird im Winterfall an der Wochenendauskühlung sichtbar. Wie in Bild 4 dargestellt ist bei Anlagenstillstand über das Wochenende mit maximal 3 K Raumabkühlung zu rechnen. Die Wärmedämmdicke zeigt hier natürlich besondere Wirkung. Die Kurve IST (WO) bezieht sich auf die Speichermasse von 2500 kg/m3.

Ein Ausschnitt aus dem Raumtemperaturverlauf (Sommer) für eine Büroachse ist im Bild 5 wiedergegeben. Die Bodenauslässe an der Fensterfront mussten etwas variiert werden, um die gleichförmige Raumdurchströmung nachzuweisen. Die Raumtemperaturregelung erfolgt unter Einbeziehung zahlreicher Parameter, wie im Teil 2 detailliert erläutert, über Volumenstromregler.

Zentrale Luftaufbereitung und Temperierung

Wie schon im Vorfeld ausgeführt liegt der Fokus in der Elektroenergieversorgung. lnfolge des hohen Primärenergiefaktors beim Strom-Mix musste in der Wärmedämmdicke mehr getan werden, um unter die Vorgaben der EnEV zu gelangen, was natürlich im Sinne des Bauherrn lag. Die gesamte Anlagentechnik sollte vom Umfang überschaubar und in den Investitionskosten minimiert werden. Es kristallisierte sich schnell die Kombination Wärmepumpe zentrale Luftversorgung heraus. Das Luftaufbereitungsgerät in Außenaufstellung besteht aus den Komponenten Schalldämpfer, Filter, Ventilatoren und Wärmerückgewinnung (Wärmerückgewinnungsgrad 80 bis 90 %) ohne Register. Eine Lufttemperierung erfolgt über die Verdampfer-/Kondensatoreinheit im Abzweig zur entsprechenden Etage. Die Wärmepumpen schicken nach Bedarf Kaltdampf (Kühlfall) oder Heißgas (Heizfall) zu den Etagenregistern.

Bild 6 zeigt die wesentlichen Teile des Anlagenschemas. Der Heizfall definiert sich nur zu Wochen- bzw. Arbeitszeitbeginn im Winter als Anheizphase. Das Luftaufbereitungsgerät fährt dann Umluft mit Nachheizung über die Kondensatoren in den Etagen. Durch die besondere Wärmedämmung ist das Gebäudeinnere vollkommen von Außeneinflüssen losgelöst. Eigentlich existiert nur der Kühlfall. Als Wärmequelle für die Wärmepumpe fungiert die Umgebungsluft. Im Vorfeld wurden Quellen wie Energiepfähle bzw. Tiefengeothermie [3] untersucht was sich wirtschaftlich jedoch nicht darstellen lies. Die Luftaufbereitungseinheit mit den Wärmepumpen konnte frei auf das Flachdach gestellt werden (Bild 7). Zwei Wärmepumpen sind jeweils mit den zugehörigen Registern einer Etage zugeordnet und schaffen so eine feine Regelabstufung.

Teil2: Gewerkeübergreifende Anforderungen an die Regelungstechnik und die Einbindung verschiedener digitaler Systeme

Wie im ersten Teil dargestellt, ermöglicht ein energieoptimiertes und unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten konzipiertes Gebäude eine insgesamt reduzierte Anlagentechnik. Um jedoch mit den nunmehr reduzierten Komponenten einen wirtschaftlichen, energieoptimierten und auch von den Nutzern akzeptierten Gebäudebetrieb sicherstellen zu können, ist ein ausgeklügeltes und hochdynamisches Automatisierungs- und Bedienkonzept erforderlich. Dieses soll im Folgenden am Beispiel der Mitarbeiterbüros in seiner Grundausrichtung vorgestellt werden. Alle Büros (außer der Nordseite) sind mit außenliegenden Raffstores ausgestattet, die über SMI (Standard Motor Interface) Antriebe gefahren werden. Die Raffstores sind neben dem Blendschutz insbesondere zur Verhinderung eines Energieeintrags durch Sonneneinstrahlung erforderlich. Grundsätzlich hat der Nutzer die Möglichkeit, die Raffstores individuell einzustellen, also hoch und herunterfahren und die Lamelle zu verstellen. Daneben gibt es noch die Einstellung "Cut off" bei der die Lamellen automatisch und sonnenstandsabhängig so nachgeführt werden, dass die direkte Sonneneinstrahlung vollständig abgeschattet wird.

Die Luftqualität wird durch die Lüftungsanlage sichergestellt, wobei die Zu- und Abluftmenge raumweise über je einen MP-Bus (proprietäres System der Firma Belimo) gesteuerten Volumenstromregeler eingestellt wird. Im Abluftstrom des Raumes befindet sich ein KNX­ Kanaltemperatursensor, der die Raumtemperatur ermittelt. Der Volumenstrom wird temperaturgeführt nachgeregelt, wobei ein Mindest-Luftwechsel nicht unterschritten wird. Im überwiegend vorherrschenden Kühlbetrieb mit einer Zulufttemperatur von 18 º wird so bei Wärmeanforderung der Volumenstrom bis hin zu einem Minimum reduziert und bei Kälteanforderung erhöht.

Bei zusätzlichem Heiz- bzw. Kühlbedarf werden die inneren Lasten moduliert; im konkreten Fall die Beleuchtungsanlage im Raum. Diese besteht aus den zwei lastwirksamen Komponenten "indirekte Beleuchtung" und "Akzentbeleuchtung". Beide Systeme werden über DALI (digital adressable lighting interface) individuell angesteuert. So wird z. B. im Kühlbetrieb bei weiterem Kühlbedarf trotz maximalem Luftwechsel die indirekte Beleuchtung heruntergedimmt und so zwar nicht die Kälteleistung erhöht, aber die inneren Lasten gesenkt. Zusätzlich wird die Beleuchtung präsenzabhängig geschaltet, um neben der Energieeinsparung auch die inneren Lasten bei Abwesenheit zu minimieren. Kommt der Mitarbeiter morgens ins Büro, schaltet sich bei Dunkelheit automatisch eine Grundbeleuchtung ein. Der Mitarbeiter kann dann individuelle Lichtszenen anlegen und abrufen. Verlässt der Mitarbeiter sein Büro, wird die Beleuchtung ausgeschaltet und zusätzlich nach längerer Zeit der Raum in den "Stand-by"­ Zustand gefahren; kommt der Mitarbeiter wieder, schaltet sich die vorhergehende Lichtszene ein. Als Präsenzmelder kommt ein modernes Multisensor-KNX­ Gerät zum Einsatz, dass in die abgependelte indirekte Leuchte integriert ist. Eine Fensterlüftung ist eigentlich nicht notwendig. Eine Nutzerbefragung ergab jedoch, dass zu öffnende Fenster geradezu eingefordert wurden. Als Konsequenz ist jedes Fenster mit einem verdeckten Kontakt ausgestattet, der das geöffnete Fenster signalisiert. In diesem Fall werden die Volumenstromregler zugefahren.

Die Raumbedienung erfolgt über eine PC-App; konventionelle Bediengeräte sind nicht vorhanden. Jeder Arbeitsplatz ist mit (mindestens) einem PC ausgestattet, der typischerweise sofort nach dem Betreten des Raumes vom Mitarbeiter hochgefahren wird. Die PC-App startet automatisch und ermöglicht dem Benutzer die individuelle Konfiguration und Bedienung "seines" Raumes. Technisch ist die diese Funktion mit einer KNX-Visualisierungssoftware realisiert, wobei die Anlagenzustände auf einem Server gespeichert werden und die PC- Apps als Clients realisiert sind. Die Software für die Raumautomation ist in SPS (speicherprogrammierbaren Steuerungen) abgelegt. Das eingesetzte Produkt kann bedarfsgerecht mit analogen und digitalen Eingangs- und Ausgangsklemmen und mit Klemmen für DALI, KNX, LON und MP-Bus ausgestattet werden, so dass die jeweiligen Subsysteme elegant und wirtschaftlich eingebunden werden können. Je Etage kommen drei dieser Automationsgeräte zum Einsatz. Der Datenaustausch zwischen den Automationsgeräten erfolgt über den so genannten "Backbone". Dieser ist im konkreten Fall ein Ethernet-Anschluss, der mit der EDV-Infrastruktur verbunden ist, wobei die Gebäudeautomation über ein virtuelles Netzwerk von dem EDV-Netzwerk entkoppelt ist. Als Protokoll kommt etagenintern KNXnet/IP zum Einsatz und etagenübergreifend als Managementebene BACnet/IP. Die Etagen-Zulufttemperatur wird über zwei Luft-Luft Wärmepumpen konditioniert, die heizen bzw. kühlen können und über je sieben Leistungsstufen verfügen. Da die eingesetzten Geräte über keine Standard-Busschnittstelle verfügen, wurden hier je Etage eine weitere BACnet/IP SPS eingesetzt und mit den notwendigen digitalen und analogen Klemmen ausgestattet.

Der im Etagen-Abluftkanal eingebaute KNX-Kanaltemperaturfühler liefert die lst-Etagentemperatur. Weicht diese von dem "Wohlfühlfenster" von 21 bis 23 °C ab, wird die Etagenzuluft entweder auf Kühlen (18 °C) oder Heizen (23 °C) eingestellt. Der in der Etagen-Zuluft eingebaute KNX-Temperaturfühler liefert die Ist-Temperatur, die vom Lüftungszentralgerät nach dem Wärmetauscher zur Verfügung gestellt wird. Weicht diese um +/-1K von der Solltemperatur ab, werden die Wärmepumpen um eine Leistungsstufe korrigiert. Wegen der Systemträgheit wird diese Anpassung zyklisch alle 15 min abgearbeitet. Gleichzeit wird ein Systembalancing durchgeführt das dafür sorgt, dass beide Wärmepumpen gleiche Laufzeiten und somit gleiche Abnutzungsgrade erreichen. Das Lüftungszentralgerät ist mit der optional erhältlichen LON-Schnittstelle ausgestattet und über eine separate BACnet/IP SPS ins System eingebunden. Hierüber können die üblichen Betriebsparameter (Einschalten, Ausschalten, Störungsmeldungen, Umluftbetrieb, Filterverschmutzung, Temperaturen, ...) übergeben und ausgelesen werden. Wichtigster Parameter ist hier die Soll­ Zulufttemperatur. Diese wird automatisch von der SPS errechnet, in dem die Wunsch- Solltemperatur der drei Etagen gemittelt wird. Die autarke Steuerung des Lüftungszentralgerätes kann nun die Drehzahl des Rekuperationsgrades so einstellen, dass die Soll-Zulufttemperatur möglichst erreicht wird. In diesem Fall ist eine Nachkonditionierung durch die Wärmepumpen nicht notwendig.

Fazit

Wirtschaftliche und energieeffiziente Gebäude müssen architektonisch (A/V-Verhältnis, Ausrichtung, Fensterflächen, Dämmung,...) und gebäudetechnisch (Anlagentechnik, Elektrotechnik, Automation, ...) integral geplant und hochdynamisch betrieben werden. Die hierfür notwendigen Automationssysteme stehen zur Verfügung und sind wirtschaftlich einsetzbar.

Die Autoren dieses Aufsatzes haben das hier vorgestellte Gebäude unter dieser Prämisse geplant- die Umsetzung findet gerade statt. Das softwaregesteuerte Gebäude wird Realität -bis hin zu regelmäßigen "Updates", um neue Funktionen und Optimierungen ohne übliche Umbaumaßnahmen realisieren zu können.

Literatur

[1] P. Kausch, M. Bertau, J. Gutzmer, J. Matschullat: Energie und Rohstoffe, Gestaltung unserer Nachhaltigen Zukunft, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2011, S. 73 und S. 154
[2] M. Wendler: Untersuchung des Musterobjektes für ein Bürogebäude mittels dynamischer energetischer Gebäudesimulation, Westfälische Hochschule Zwickau, Diplomarbeit 2011
[3] W. Reichel: lst Erdwärme auch für Verwaltungsgebäude wirtschaftlich? Betriebswirtschaft­ liehe Blätter, 58. Jahrgang, Mai, 2009, 259/262

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