Zum Seiteninhalt springen

Plus-Energie Passivhaus Kindergarten Wirbelwind Inbetriebnahme und Betriebsführung

Die Gebäudetechnik bestimmt bei hochenergieeffizienten Gebäuden maßgeblich die funktionale und energetische Performance. Entsprechend anspruchsvoll ist das Qualitätsmanagement im zeitlichen Verlauf, von der Planung, Ausführung, Inbetriebnahme und Abnahme der einzelnen Gewerke bis zur späteren Betriebsführung der Gebäude.

Passivhaus & Plusenergie Gebäude Messung & Monitoring Innenraum

Als Hilfestellung eignet sich dazu sehr gut das Softwarepaket  Passivhaus-Projektierungspaket (PHPP) da unter anderem die tatsächlich vorherrschenden Monatsmittel bzw. -summen für die Außen- und Innenraumtemperaturen und Globalstrahlung angepasst werden können. Auch die genaue Erfassung der elektrischen Verbraucher und der tatsächlichen Belegung kann korrigiert und dadurch der aktuelle Verbrauch mit der Prognose umfassend abgeglichen werden. Beim Kindergarten Wirbelwind hat das IBO damit die Inbetriebnahme und Betriebsführung begleitet. Die Messdatenaufbereitung und Prognoseanpassung erfolgen dabei auf dem Server der IBO GmbH. So ist es möglich, sich vollautomatisch tagesaktuell über den Trend zwischen tatsächlichen und prognostizieren Verbrauch informieren zu lassen und entsprechende Maßnahmen zu treffen. Die Daten können sowohl über Email als auch über entsprechende Visualisierungen abgerufen werden. Alternativ kann dies auch durch hocheffiziente und kostengünstige Miniaturrechner erfolgen. Diese Kleinstcomputer verbrauchen im Jahr 20–45 kWh an Strom und können zusätzlich die Überwachung der Lüftungsanlage übernehmen.

Umsetzung Messtechnik

Die Erfassung der Verbräuche v.a. bei kleinvolumigen Gebäuden, in denen keine Leittechnik vorgesehen ist, kann effizient und kostengünstig erfolgen, solange einzelne Subzähler v.a. für den Stromverbrauch in der Errichtung mitgedacht und implementiert wurden. Nutzerstrom und Hilfsenergie sowie der Stromverbrauch einer eventuell vorhandenen Wärmepumpe oder Solepumpe für die Kühlung im Sommer und anderweitige Abnehmer wie z.b. Elektrotankstellen müssen getrennt erfasst werden. Ratsam ist es auch den Stromverbrauch der Lüftungsanlage, v.a. wenn ein elektrisches Nachheizregister verbaut ist, aufzuzeichnen.
Als technische Lösung eignen sich besonders kostengünstige S0-Stromzähler, die über entsprechende Gateways die Messdaten über einen Netzwerkanschluss direkt auf einen Server übertragen. Zur Überwachung der Komfortparameter können Werte aus der Leittechnik übernommen werden oder auch  Ablufttemperaturen der Lüftungsanlagen. Kostengünstige und mobile Geräte, die Parameter wie CO2, TVOC und Luftqualität längerfristig messen, wurden vom IBO gemeinsam mit der Fa. HSBS entwickelt. Mit einem eigens programmierten Algorithmus können diese Geräte zusätzlich vor Schimmelpilzwachstum warnen. Auch diese gemessenen Daten können über das Internet aufgerufen werden.

Verbrauch und Prognose im monatlichen Berechnungsverfahren

Für den Abgleich der gemessenen und prognostizieren Werte wurde das Monatsbilanzverfahren aus PHPP adaptiert und der berechnete und gemessene Endenergieverbrauch einander gegenübergestellt. Wie man aus der Grafik erkennen kann, liegen Verbrauch und Prognose, erkennbar an der grünen und der schwarzen Linie, in den kalten Monaten knapp aneinander, während in der Übergangszeit v.a. März und Oktober die Differenz zwischen Theorie und Praxis größer ist. Dies liegt vor allem daran, dass die solaren Erträge in den südlich gelegenen Gruppenräumen zwar nutzbar sind, allerdings nicht in den langgestreckten nördlichen Bereich des Gebäudes ankommen. Vor allem an Tagen mit hoher Sonneneinstrahlung werden gerne die Türen zum Spielplatz geöffnet, so entstehen Lüftungsverluste, die im Berechnungsprogramm nicht vorgesehen waren. In Summe beträgt die Abweichung für das ganze Jahr rund 6 kWh. Das Passivhausinstitut führt auch bei sorgfältiger Berechnung eine Abweichung von +/-3 kWh und nochmal denselben Wert für die Messtechnik an. So zeigt sich eine beispielhafte Übereinstimmung von Prognose und tatsächlichem Verbrauch, gelungen durch das Monitoring, das ein rasches Reagieren auf Abweichungen ermöglicht hat (Abb. 1).

Die Strombilanz auf Monatsbasis

Der Großteil des Nutzerstroms wird für Beleuchtung und Küche aufgebracht und liegt unter 15 kWh/m²NF und Jahr. Davon entfallen auf die Beleuchtung rund 40 %. Der Hilfsstrom umfasst die Verbräuche für die Zirkulationspumpe und die Lüftungsanlage, die in Summe knapp unter 5 kWh/m²NF liegen (Abb. 2).
Für die Warmwasserbereitung wird erfreulich wenig Energie verbraucht. Nur rund 1236 kWh wurden im Jahr 2017 verbraucht . Hochgerechnet auf die Belegung entspricht dies in etwa 1,4 Liter pro Person und Tag (ganzes Kalenderjahr und rund 40°C Warmwassertemperatur). Dieser geringe Aufwand wird mit Durchlauferhitzern direkt bei den Wasserentnahmestellen erreicht. Schon in der Planung hat das IBO diese Lösung forciert, denn der Nachteil einer relativ hohen Anschlussleistung (rund 5 kW pro Gerät) wird durch den geringen Energieverbrauch und den Wegfall von Zirkulationsverlusten mehr als kompensiert. Ein weiterer Vorteil dieser Lösung ist, dass durch die niedrige Bereitstellungstemperatur (Verbrühungsschutz) kaum Kalk ausfällt, was auch die Wartungskosten minimiert (Abb. 3).  
Einige Hersteller bieten bereits vorgefertigte Schnittstellen für ihre Lüftungsanlagen an, womit man diese komfortabel per Weboberfläche konfigurieren kann. Damit können vordefinierte Laufzeiten, Luftmengen sowie die Zulufttemperatur eingestellt werden. Genauso wird bei Fehlfunktionen der Anlage Alarm ausgelöst, wenn z.B. erhöhter Druckabfall auf verschmutze Luftfilter und damit erhöhtem Energieverbrauch hinweist (Abb. 4).

Lufttemperatur

Mit dem Monitoring konnten Raumtemperaturen auf den Soll-Bereich eingependelt werden, wie in der Abbildung 5 erkennbar. Im Rahmen der Erweiterung des Kindergartens im Sommer 2017 musste die Steuerung der Fußbodenheizung neu justiert werden.

Wie thermische Behaglichkeit bewertet wird

Wenn keine mechanische Kühlung vorhanden ist, kann die thermische Behaglichkeit nach DIN/ÖNORM EN 15251 bewertet werden. Die Komfortklassen richten sich nach den gleitenden Außentemperatur-Tagesmitteln im Jahresverlauf. In der Abbildung 6 wurde der Raum Gruppe 2 bewertet, und zwar in jenem Zeitraum in dem der Raum auch tatsächlich benutzt wurde, in diesem Fall von Mo.–Fr. von 07:00 bis 17:00 Uhr. Die Kategorie 1 (entspricht Komfortklasse 1) liegt zwischen den beiden roten, Kat.2 jeweils zwischen den roten und lilafarbenen und Kat.3 zw. lilafarben und blauen Linien. Mit der Kategorie 4 wurden hier alle Werte außerhalb des Bewertungsrasters definiert. Im Hochsommer wird die Komfortklasse 1 überwiegend eingehalten, während es in der Übergangszeit aufgrund der großen, südlich orientierten Fensterflächen auch zu höheren Temperaturen kommt.

Luftfeuchtigkeit

Nach der Einregulierungsphase liegt die Luftfeuchtigkeit nunmehr durchwegs im erwünschten Bereich, ersichtlich in der Visualisierung am grünen Bereich (Abb. 7)

Thermische Behaglichkeit nach ÖNORM EN ISO 7730

Vor allem in mechanisch gekühlten Objekten bieten sich Behaglichkeitsmessungen nach ÖNORM EN ISO 7730 an. Damit können nicht nur Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit, sondern auch die Strahlungstemperatur und Zugluft bewertet werden (Abb. 8).

Was Nutzer sagen: Fragebögen bringen Sicherheit

Optimale Arbeitsbedingungen stellen eine Gratwanderung zwischen thermischem Komfort und Raumluftqualität dar. So werden geringe CO2-Konzentrationen und hohe Innenraumtemperaturen im Winter von den NutzerInnen als angenehm empfunden,  damit sinkt jedoch zwangsläufig die Luftfeuchtigkeit. Man muss sich bewusst sein, dass es kaum möglich ist, ein Raumklima zu schaffen, das alle Personen zufrieden stellt. Wie wir seit den umfangreichen Messungen von P.O. Fanger wissen, wird es immer zumindest 5 Prozent Unzufriedene geben.
Insofern bieten Messungen der CO2-Konzentration, Luftfeuchtigkeit und TVOC (flüchtige Kohlenwasserstoffe) gute Anhaltspunkte zur Raumluftqualität, auch wenn die subjektiv empfundene davon stark abweichen kann. Fragebögen stellen eine Möglichkeit dar, die Zufriedenheit der Nutzer zu eruieren und die Messergebnisse dem tatsächlich empfundenen Komfort gegenüberzustellen (Abb. 9).

Monitoring – mittlerweile auch für kleine Gebäude kostengünstig machbar

Das IBO hat mittlerweile mehrere Monitoring Projekte umgesetzt und kann – basierend auf den Erfahrungen und Entwicklungen –  die passende Sensorik, Auswertealgorithmen und Visualisierungen für Energie-, Bauteil- und Komfortmonitoring anbieten. Kostengünstige Lösungen für Hardware, automatisierte Meldungen zur aktuellen Gebäude-Performance, aussagekräftige Visualisierungen zur Dokumentation ermöglichen eine effiziente Inbetriebnahme und Betriebsführung. Damit können auch kleinvolumige Projekte effizient begleitet werden, wenn in der Planung die benötigten Messpunkte und -geräte sorgfältig bestimmt werden. Monitoring für Inbetriebnahme und Betriebsführung hat in den Gebäudezertifizierungssystemen Einzug gefunden, auf nationaler Ebene mit dem klimaaktiv Zertifizierungssystem „klimaaktiv in der Gebäudenutzung“. Der Kindergarten Wirbelwind wurde mit dem besonders ambitionierten klimaaktiv Gebäudestandard zertifiziert und ausgezeichnet.

© KiTO / Michael Baumgartner
Abb. 1: Vergleich Prognose und Messwerte bei korrigierten Innenraum- und Außentemperaturen. Die grüne Linie stellt den Endenergiebedarf, also die Prognose, dar und die schwarze Linie die gemessenen Werte am Wärmemengenzähler Fernwärme, somit den tatsächlichen Verbrauch.
Abb. 2: Stromverbrauch und -produktion im Monatsverlauf
Abb. 3: Warmwasserverbrauch im Monatsverlauf 2017
Abb. 4: Überwachung der Zu- und Abluftmengen sowie CO2-Konzentration in den Gruppenräumen.
Abb. 5: Verlauf der Innenraumlufttemperatur in den Gruppenräumen
Abb. 6: Bewertung der thermischen Behaglichkeit nach DIN EN 15251 im Zeitverlauf
Abb. 7: Verlauf der Raumluftfeuchtigkeit in den Gruppenräumen
Abb. 8: Beispiel für ein Behaglichkeitsmessung (PMV und PPD) nach nach ÖNORM EN ISO 7730
Abb. 9: Beispiel für eine Fragebogenauswertung gegliedert nach Winter, Übergangszeit, Sommer sowie Lufttemperatur, -feuchtigkeit und -qualität.
© KiTO / Michael Baumgartner