Steuerung der Betonkerntemperierung mit Wetterprognosedaten

Der Bauherr VGH bildet eine öffentlich-rechtlich organisierte Versicherungsgruppe und ist der größte Regionalversicherer Niedersachsens. Um mehrere in die Jahre gekommene Bestandsgebäude zu ersetzen, investierte die VGH in drei Neubauten an der Prinzenstraße 19–23 in Hannover.

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Bei den Neubauten der VGH werden Wetterprognosedaten zur Steuerung der Betonkerntemperierung genutzt. Bild: Homebase2.com
Bei den Neubauten der VGH werden Wetterprognosedaten zur Steuerung der Betonkerntemperierung genutzt. Bild: Homebase2.com

Auf einer Grundstücksfläche von insgesamt 3.036 m² bietet der 2017 fertiggestellte und bezogene Gebäudekomplex Prinzenareal eine Bruttogeschossfläche von zusammen 11.940 m² mit drei sechs-, fünf- und viergeschossigen Gebäuden. Die angeschlossene Tiefgarage umfasst nochmals 9.623 m² und bietet 54 Einstellplätze, zusätzlich gibt es 13 oberirdische Parkplätze. Die Neubauten liegen mitten im Zentrum von Hannover zwischen Hauptbahnhof, Ägidientor- und Opernplatz in Sichtweite der VGH-Direktion am Schiffgraben und werden als Büroimmobilien zur Fremdvermietung genutzt.

Hoher Anspruch an Nachhaltigkeit und Energieeffizienz

Bei der Planung war es den Projektverantwortlichen wichtig, dass die neuen Immobilien und ihre Fassaden den betreffenden Abschnitt der Prinzenstraße städtebaulich aufwerten und sich harmonisch in die umliegende Architektur einfügen. Besonders großer Wert wurde auf die konsequente Umsetzung von Maßnahmen zur Energieeffizienz und Ressourcenschonung gelegt. Mit Erfolg: Das Gebäude wurde mit dem DGNB Vorzeigezertifikat in Gold ausgezeichnet. Um die Zertifizierung zu erhalten, mussten neben den organisatorischen Voraussetzungen der DGNB vor allem Belange der ökologischen, ökonomischen sowie der soziokulturellen und funktionalen Qualität erfüllt werden. Hier war in ganz besonderem Maße die Gebäudeautomation mit ihren Steuerungs- und Regelungskonzepten gefordert, die anspruchsvollen Vorgaben der Planung umzusetzen.

Vom Energiekonzept zur Betonkerntemperierung

Zur Umsetzung des vom Ingenieurbüro Low-E- (Prof. Dr.-Ing Kühl, FH Wolfenbüttel) entwickelten Energiekonzepts für das Prinzenareal gehört als zentraler Baustein die energieeffiziente Einbindung einer geothermischen Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen der Büroflächen. Neben konventionellen Wärme- und Kälteerzeugern zur Spitzenlastdeckung dient die Wärmepumpe dabei mit den Betriebsarten freier und aktiver Kühlung sowie dem Heizbetrieb zur Abdeckung der thermischen Grundlast.

Ausschlaggebend für hohe regenerative Deckungsanteile und einen effizienten Wärmepumpenbetrieb sind neben der hydraulischen Einbindung dabei zwei regelungstechnische Faktoren:

  • die intelligente Ansteuerung der Wärme- und Kälteerzeugung
  • die Beladung des Betonkerns mit möglichst niedrigen Temperaturen beim Heizen und hohen Temperaturen beim Kühlen.

Darüber hinaus gilt es, die vorgegebenen Behaglichkeitskriterien und Komfortansprüche einzuhalten.

Betonkerntemperierung – einfache Technik, anspruchsvolle Regelung

Die Temperierung von Betonkernen erfolgt einfach und kostengünstig durch die Integration von Kunststoffrohren in die statisch tragende Betondecke. Große Flächen werden damit thermisch zum Heizen und Kühlen aktiviert, so dass Räume mit Fluidtemperaturen sehr dicht an der Raumtemperatur beheizt und gekühlt werden können.

Die thermische Beladung der großen thermischen Betonkernmassen mit langen Zeitkonstanten ist eine planerische und regelungstechnische Herausforderung. Anders als beim Regelverhalten von Heizkörpern, die durch Thermostate geregelt werden, muss die Beladung der Betonkerne bereits lange vor dem Auftreten der thermischen Last erfolgen. Erst einige Stunden nachdem das Heizungs- oder Kühlwasser seine Temperatur im Betonkern ändert, folgt eine Änderung der Oberflächentemperatur des Betonkerns und damit die abgegebene Heiz- oder Kühlleistung im Raum.

Die Betonkerne müssen also in der Folge prognoseorientiert be- oder entladen werden, bevor die thermische Last durch Personen, solare Strahlung oder konvektive Verluste an die Umgebung auftreten. Nur so kann eine gleichbleibende Raumtemperatur gewährleistet werden.

Wetterprognosedaten steuern die Betonkerntemperierung

Bei der angewandten Methode zum Heizen und Kühlen mittels prognoseorientierter Betonkerntemperierung erfolgt die Regelung bzw. Steuerung anhand von Energiemengen im Gegensatz zur sonst bei Raumtemperierung üblichen Temperaturreglung der Vor- oder Rücklauftemperatur. Die Energiemengen werden anhand von prognostizierten Wetterdaten alle 12 h so berechnet, dass die Raumtemperatur konstant gehalten wird. Vor- oder Rücklauftemperaturen müssen nicht geregelt werden, denn auftretende Temperaturschwankungen wirken sich aufgrund der hohen Wärmekapazitäten des Betonkerns nicht auf die erzielten Oberflächentemperaturen aus.

Die benötigen Energiemengen zur Beladung ergeben sich dabei aus einer einfachen Energiebilanz für jede Zone aus den thermischen Verlusten zur Umgebung, der solaren Einstrahlung und den inneren thermischen Lasten durch Personen und der betriebenen Geräte. Je nach Lage, Nutzung der Zone und den prognostizierten Wetterbedingungen wird also eine zonenspezifische Energiemenge berechnet und dann der Betonkern damit beladen. Ist die vorgesehene Energiemenge in der Zone eingebracht, wird die Fluidzufuhr für die Zone gestoppt, bis das nächste Prognoseintervall beginnt.

Mit der Energiebeladung ergeben sich darüber hinaus zwei weitere Vorteile. Erstens lassen sich Zonen mit einem geringen gerätetechnischen Aufwand steuern (ein elektrisches Absperrventil und ein Wärmemengenzähler pro Zone), zweitens lassen sich regenerative Energieerzeuger mit Energieangebot auf sich änderndem Temperaturniveau einfach und mit hohem Deckungsanteil einbinden (hier die freie Kühlung der Erdwärmesondenanlage).

Im konkreten Fall des Bauvorhabens VGH erfolgte die Umsetzung der programmtechnischen Implementierung durch Saia Burgess Controls (SBC) nach den Planungsvorgaben durch das Ingenieurbüro IMF. Durch den SBC-Systempartner GLT Service GmbH & Co. KG erfolgte die Installation der Gebäudetechnik, die Ansteuerung aller notwendigen Komponenten wie der Wärmemengenzähler und der Wetterstation sowie die Inbetriebnahme der Steuerung und prognoseorientieren Regelung. In enger Zusammenarbeit mit dem Planungsbüro IMF erfolgte ebenfalls die besonders wichtige Feinregulierung in der ersten Betriebsphase der Anlage.

Anspruchsvolle Aufgaben meistern

Zur Realisierung einer Platz sparenden und flexiblen Steuerungslösung verwendete GLT Service 16 Saia PCD-Steuerungen PCD2.M4560. Diese frei programmierbaren Steuerungen eignen sich für Anwendungen beispielsweise in der Maschinensteuerung, Gebäude- oder Infrastrukturautomatik. Dank großzügiger Speicherressourcen und ausreichender CPU-Power meistern sie auch anspruchsvolle Kommunikationsaufgaben.

Die bei der VGH verwendete Ausführung PCD2.M4560 verfügt über 2 MByte Anwenderprogrammspeicher und ausreichend Prozessorleistung für anspruchsvolle Aufgaben.

Ebenfalls installiert wurden acht PCD1.M2110R1. Der Saia PCD1.Room ist ein frei programmierbarer Raumcontroller für die Raumautomation und HLKSE-Anwendungen. Neben den integrierten E/As bietet er einen freien E/A-Steckplatz für die individuelle Erweiterung, darüber hinaus können auch weitere Systeme über Standard-Kommunikationsschnittstellen eingebunden werden. So ist eine energieeffiziente und individuelle Raumautomation gemäß EN 15232 möglich. Die integrierte Web+IT Funktionalität ermöglicht in Verbindung mit einem WLAN-Gerät zudem eine mobile Bedienung.

Schnelle Fehlerbehebung ohne Zeitverlust

Zur Bedienung der Anlage wurde ein Saia Visi+ Management-System als SCADA Software installiert. In dem Projekt gibt es keine klassische Leitwarte, von der aus das Gebäude beobachtet oder betrieben wird. Die Visi+ Software in einer Technikzentrale ist auf einem Panel-PC in der Schaltschranktür installiert. Das System ist grundsätzlich autonom und rebootsicher ausgeführt. Dennoch besteht die Notwendigkeit, eine sichere und jederzeit verfügbare Fernzugriffsmöglichkeit zur Verfügung zu stellen.

Dieser Fernzugriff erfolgt über das von GLT Service eingesetzte Serviceportal durch eine VPN-Verbindung mit Zugriff auf den HTML5 basierenden Web-Server der Visi+ Software. Über diese gesicherte VPN-Verbindung kann auch die Programmiersoftware PG5 auf die DDC-Controller zugreifen. So ist eine vollkommene Fernadministration des Systems gegeben.

Schnelle Reaktionszeiten bestehen bei allen Störungen. Auch bei solchen, die der interne Servicetechniker nicht selbst beheben kann. Die komplette Anlage erlaubt den Zugriff per VPN, so dass es dem Systemintegrator möglich ist, jederzeit bis auf die unterste Ebene der Programmierung zuzugreifen. Reguläre Störmeldungen der GLT werden per E-Mail weitergeleitet.

Die Visi+ Software ist auch für die komplette Archivierung und Erfassung der historischen Daten zuständig. Sämtliche Daten der Wärmemengenzähler sowie der analogen Ein- und Ausgänge der DDC-Controller werden aufgezeichnet und gespeichert. Die im Rahmen der DGNB-Zertifizierung geforderten Daten werden hierfür automatisch monatlich für das auswertende Ingenieurbüro erstellt und per E-Mail versendet. Die Daten werden als Anhang zur E-Mail im CSV-Format versendet und erlauben so den einfachen Datenimport in beliebige Programme.

In den ISP’s der Mieteinheiten sind insgesamt 24 Web-Panels (PCD7.D450WTPF) verbaut, die u. a. über embedded Micro-Browser, Touch-Screen, FTP-Server und Systeme für die Einbaumontage in Frontplatten verfügen. Die Micro-Browser Panels können schnell und leicht in jedes Umfeld integriert werden, z. B. in den Schaltschrank oder mit Unter- und Aufputz-Montage-Kits in beliebige Einbausituationen. Bei der VGH dienen die Panels der individuellen Bedienung der Komponenten in der Mieteinheit des jeweiligen ISP’s. Über die Bedienpanels können je nach Berechtigung auch Änderungen wichtiger Einstellungsparameter vorgenommen werden.

Die grafische Oberfläche der Displays sowie die heutzutage übliche Bedienung der Touch-Funktion ist intuitiv und jedermann von Smartphone- und Tabletbedienung bekannt. Neben der einfachen Wartung soll dies vor allem für den Nutzer die Hemmschwelle herabsetzen, das System selbst zu bedienen. Die Zeiten der kryptischen Bedienung der GA-Systeme gehören damit der Vergangenheit an. Darüber hinaus erfolgte die Installation einer Wetterprognosestation HKL, zweier Panel-PCs mit der GLT Software und einer busfähigen Romutec-Handbedienung.

Fazit

Der Neubaukomplex Prinzenareal der VGH in Hannover ist ein hochwertiges und energieeffizientes Gebäude mit DGNB Gold Zertifikat. Ein zentraler Baustein beim Erreichen dieses Ziels war die erfolgreiche und entwicklungsnahe Umsetzung der Gebäudeautomation. Alle Kriterien der Vorgaben der EN 15232 und der DGNB-Zertifizierung werden erfüllt und ein anspruchsvolles Energiekonzept umgesetzt, das gleichzeitig die detaillierte Zonierung nach Nutzungseinheiten und Mietverhältnissen mit hohen Komfortansprüchen erlaubt. Neben den ökologischen und ökonomischen Voraussetzungen werden alle Vorgaben zur soziokulturellen und funktionalen Qualität, z. B. der Behaglichkeit und der Raumluftqualität in den Büroräumen, erfüllt.

Literaturhinweise

  • /1/ Bollin, E.; Feldmann, T.: Verbesserung von Energieeffizienz und Komfort im Gebäudebetrieb durch den Einsatz prädiktiver Betriebsverfahren (PräBV). Abschlussbericht. Fraunhofer-IRB-Verlag, 2014

Frank Braunroth

Frank Braunroth
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Artikel Steuerung der Betonkerntemperierung mit Wetterprognosedaten
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