Energiemanagement bei Planung und Betrieb von Gebäuden

6.3 Messkonzepte

Kapitel: 06 Konzepte

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6.1 Grundlagen
6.2 Energiekonzepte
6.3 Messkonzepte

6.3.1 Grundlagen Messkonzepte

6.3.1 Grundlagen Messkonzepte – 6.3.2 Umsetzung Messkonzepte – 6.3.3 Werkzeuge – 6.3.4 Darstellung des Messkonzeptes – 6.3.5 Kosten-Nutzen-Betrachtung – 6.3.6 Messprinzipien – 6.3.7 Messdatenauswertung

Für die Optimierung und den Betrieb von gebäudetechnischen Anlagen (und der Gebäude selbst) muss bekannt sein, wie die Anlagen «laufen». Es braucht Messdaten und damit ein Messkonzept, um planmässig und effizient diese Daten erheben zu können. Ebenso werden Messdaten für die Verrechnung resp. Zuordnung der Energiekosten benötigt.

Es kann auch hier auf die alte Weisheit aus der Betriebswirtschaftslehre hingewiesen werden: If you can’t measure it, you can’t manage it.

Was ist ein Messkonzept?

Ein Messkonzept soll aufzeigen, wie die für die verschiedenen Ziele des Facility- und Energiemanagements erforderlichen Daten über den Energie- und Medienverbrauch erhoben werden können. Ein Messkonzept ist eine wesentliche Voraussetzung für jede Betriebsoptimierung und für die Zuordnung und Verrechnung der Energiekosten.

Ein Messkonzept zeigt damit primär auf, welche Grössen sinnvollerweise gemessen werden sollen. Damit einher geht die Definition der Struktur der Energie- und Medienverteilung.

Messkonzepte können für Neubauten und für bestehende Bauten erarbeitet werden. Sie zeigen auf, wo welche Messgeräte installiert werden und idealerweise auch was sie wie messen sollen. Viele Messgeräte sind heute konfigurierbar. Deshalb ist es ebenso wichtig, genau zu definieren, wie die Daten erfasst, gespeichert und ausgewertet werden sollen.

Das Messkonzept kann auch mögliche temporäre oder später nachrüstbare Messungen aufzeigen.

6.3.2 Umsetzung Messkonzepte

6.3.1 Grundlagen Messkonzepte – 6.3.2 Umsetzung Messkonzepte – 6.3.3 Werkzeuge – 6.3.4 Darstellung des Messkonzeptes – 6.3.5 Kosten-Nutzen-Betrachtung – 6.3.6 Messprinzipien – 6.3.7 Messdatenauswertung

Zielsetzung

Die beiden wichtigsten Ziele eines Messkonzeptes sind

  • Verbrauchsabhängige Energieverrechnung
  • Energiemanagement und Betriebsoptimierung

Für beide Ziele muss der Energieverbrauch (inkl. Wasser) bekannt sein, wobei der Detaillierungsgrad resp. die Aufteilung unterschiedlich sein kann.

Als Grundlage für ein Messkonzept muss bekannt sein:

  • Wem muss oder soll welche Energie separat und verbrauchsabhängig verrechnet werden?
  • Welche Messungen resp. Daten sind für das geplante Energiemanagement erforderlich?

Auch hier ist ein Pflichtenheft also vorteilhaft.

Daneben kann ein Messkonzept weitere Ziele beinhalten:

  • Überprüfung von Garantiewerten bei der Abnahme
  • Grundlagen für die Erneuerung von Anlagen

Definition der Messgrössen

Zu Beginn, nach der generellen Zielsetzung, müssen die zu messenden Grössen bestimmt werden. Es wird definiert, welche Messungen erforderlich sind, wie die Ablesehäufigkeit sein soll und wie die Genauigkeit der Messungen sein muss.

Gesetzlich vorgeschriebene Messungen:

Für die verbrauchsabhängige Heizkostenabrechnung (VHKA) sowie für Kältemaschinen und Lüftungsanlagen ab einer gewissen Grösse sind je nach Kanton Messungen erforderlich. Ebenso muss der Strombezug für jeden Mieter separat gemessen werden, was bis heute meist durch das Elektrizitäts-Versorgungsunternehmen erfolgt. Für Messungen, welche der Energieverrechnung an Dritte dienen, ist die Genauigkeit vorgeschrieben (Messgeräte mit Zulassung und Eichpflicht).

Messungen für die Betriebsoptimierung:

Diese Messungen sind nicht gesetzlich vorgeschrieben oder reglementiert. Sie werden auch als Privatmessungen bezeichnet. Sie dienen der Überwachung der gebäudetechnischen Anlagen sowie zur Generierung von Kennzahlen und Statistiken. Ebenso können mit Privatmessungen Garantiewerte nachgewiesen werden oder Grundlagen für die Erneuerung von Anlagen gewonnen werden. Solche Messungen können auch nur temporär durchgeführt werden. Die Genauigkeit solcher Messungen ist meist sekundär, geeichte und teure Messgeräte sind nicht erforderlich.

Messungen für Kostenzuordnung:

Innerbetrieblich kann es empfehlenswert sein, die Energiekosten den Kostenstellen resp. Produkten zuzuordnen. In diesem Fall sind wiederum Privatmessungen ausreichend.

Messkonzept als Bestandteil der Planung

Nach der Definition der erforderlichen Messungen muss innerhalb des Planerteams für die Gebäudetechnik ein Messkonzept erarbeitet werden. Das Messkonzept betrifft die Sparten Heizung, Kälte, evtl. Lüftung, Elektro und Sanitär.

Das Messkonzept sollte parallel zur Vorprojektplanung erstellt werden. Die Planung der Leitungsverläufe und Verteilschemata der einzelnen Medien kann einen wesentlichen Einfluss auf die Messbarkeit haben. Umgekehrt muss die Verteilung auf die Bedürfnisse der Messungen nach Verbraucher Rücksicht nehmen. Daher muss das Messkonzept bei Neuanlagen in einer möglichst frühen Planungsphase definiert werden.

Die erforderlichen Messungen erfordern Investitionen, welche in der Kostenschätzung und im Kostenvoranschlag enthalten sein müssen.

Um das Messkonzept gewerkeübergreifend zu koordinieren, muss eine verantwortliche Person im Planungsteam bestimmt werden. Bei bestehenden Bauten kann diese Aufgabe einer Person des technischen Dienstes zugeordnet werden.

Gesetzliche Grundlagen

In den Kantonen ist die Pflicht zur verbrauchsabhängigen Heizkostenabrechnung (VHKA) unterschiedlich geregelt. Diese sind in den Mustervorschriften der Kantone zum Energiebereich (MuKEn) geregelt. Mit der Umsetzung von MuKEn 2008 in allen Kantonen gilt die Regel, dass in Neubauten ab fünf Bezügern die Heizkosten separat und verbrauchsabhängig verrechnet werden müssen. Die Messgeräte resp. Messsysteme brauchen eine Zulassung. In wenigen Kantonen muss auch in bestehenden Gebäuden die VHKA nachgerüstet werden. Leider ist die Umsetzung aber kantonal und in den Details unterschiedlich.

Daneben muss je nach Kanton auch der Stromverbrauch der Kältemaschinen und der Lüftungsgeräte (Ventilatoren) gemessen werden, jeweils ab einer gewissen Grösse. Die Details sind in den kantonalen Energiegesetzen und/oder Baugesetzen festgelegt.

Falls Energie (in irgendeiner Form) an andere Organisationen verkauft werden soll (z.B. an Mieter), so ist eine Messung mit geeichten und zugelassenen Messgeräten erforderlich. In der Schweiz ist das Eidgenössische Institut für Metrologie (METAS) für die Umsetzung der Bundesgesetze betreffend Messwesen zuständig und es überwacht die zugelassenen Eichstellen.

6.3.3 Werkzeuge

6.3.1 Grundlagen Messkonzepte – 6.3.2 Umsetzung Messkonzepte – 6.3.3 Werkzeuge – 6.3.4 Darstellung des Messkonzeptes – 6.3.5 Kosten-Nutzen-Betrachtung – 6.3.6 Messprinzipien – 6.3.7 Messdatenauswertung

Um ein Messkonzept zu erstellen, sind folgende Werkzeuge erforderlich:

  • Kenntnis der gesetzlichen Grundlagen
  • Kenntnis über Messtechnik
  • Klarheit über die Ziele des Energiekonzeptes
  • Anzahl der Mieter resp. Nutzer eines Gebäudes resp. einer Anlage
  • Kostenstellenstruktur
  • Gebäudetechnikkonzept
  • Betriebskonzept der Anlage
  • Konzept der Gebäudeautomation und der Kommunikationssysteme
  • Konzept der Messdatenerfassung und -speicherung
  • Anforderungen an die Messgenauigkeit und die Ableseverfahren
  • Struktur der Energiekennzahlen gemäss SIA 380/1 und SIA 380/4

6.3.4 Darstellung des Messkonzeptes

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Das Messkonzept wird als schematische, möglichst einfache grafische Darstellung erfasst. Das Schema zeigt die Struktur der Energie- resp. Medienverteilung, die Verbraucher resp. Verbrauchergruppen und die Messstellen. Jede Messstelle erhält eine eindeutige Kennzeichnung, im Allgemeinen eine strukturierte Nummer resp. eine Zahlen-Buchstaben-Kombination. Dazu gehört eine Liste mit den Messstellen, welche für jede Messstelle die Kennzeichnung, die Bezeichnung, die gemessenen Grössen mit Messbereichen, die Genauigkeit resp. Messgeräteklasse sowie den Rhythmus der Ablesung, den Speicherort und den Sinn der Messung (Betriebsoptimierung, Kostenzuordnung, Kostenverrechnung etc.) angeben.

Dazu kommt eventuell noch eine Beschreibung mit den Zielen des Messkonzeptes, der Ablesetechnik, des Datenspeicherkonzeptes und der Datenverarbeitung zu Statistiken, zu Kennzahlen und Verbrauchswerten.

6.3.5 Kosten-Nutzen-Betrachtung

6.3.1 Grundlagen Messkonzepte – 6.3.2 Umsetzung Messkonzepte – 6.3.3 Werkzeuge – 6.3.4 Darstellung des Messkonzeptes – 6.3.5 Kosten-Nutzen-Betrachtung – 6.3.6 Messprinzipien – 6.3.7 Messdatenauswertung

Jede Messung resp. jede Messstelle kostet mehrfach Geld:

  • Die einmalige Investition für die Messgeräte (Hardware, Fühler, Messaufnehmer etc.), deren Installation, Verdrahtung und je nachdem die Datenerfassung über einen Messbus zu einem zentralen Rechner oder über das Gebäudeleittechnik-System (GLS) zum zentralen Rechner. Diese Investition muss über die Nutzungsdauer abgeschrieben und verzinst werden.
  • Die regelmässige Messdatenerfassung und Speicherung (Ablesung oder automatische Speicherung) und die Auswertung der Daten verursachen ebenso regelmässig einen Aufwand.
  • Das Messsystem muss unterhalten werden, es benötigt Kontrollen, periodische Eichungen sowie Reparaturen und unterliegt einer Alterung.

All dies verursacht jährliche Kosten, deren Höhe je nach System und Fall unterschiedlich sind.

Diesem Aufwand muss ein entsprechender Ertrag gegenüberstehen.

Bei gesetzlich vorgeschriebenen Messungen (z.B. VHKA) erübrigt sich diese Kosten-Nutzen-Betrachtung, hier ist das Bestreben, die Auflagen möglichst kostengünstig zu erfüllen.

Bei Privatmessungen, welche für die Kostenzuordnung vorgesehen werden, muss man sich die Kosten-Nutzen-Frage schon eher stellen. Hier muss zumindest das Verhältnis der Messkosten zu den Kosten der so erfassten Energie sinnvoll sein, das heisst, der Messaufwand darf höchstens einen Bruchteil der den Verursachern zugeordneten Energiekosten betragen.

Bei Messungen, welche zum Zweck der Betriebsoptimierung eingerichtet werden, sollte das Kosten-Nutzen-Verhältnis vertieft untersucht werden. Der Nutzen von Messungen für die Betriebsoptimierung resp. das Energiemanagement ist:

  • Energieeinsparung: Die Messung sollte eine optimale Betriebsweise und Überwachung der Anlagen und Installationen ermöglichen und so einen unnötigen Energieverbrauch verhindern. Es kann als erste pauschale Schätzung mit ca. 10 % Energieeinsparung gerechnet werden.
  • Umweltentlastung: Die Energieeinsparung führt auch zu einer Umweltentlastung, welche aber schwieriger monetär erfassbar ist und nicht direkt dem einzelnen Unternehmen zugutekommt. Es bieten sich als einfache Möglichkeit die sogenannten kalkulatorischen Energiepreiszuschläge an, welche die externen Kosten erfassen.
  • Abnahmekontrolle: Eine präzise Messung der Leistung und der Effizienz von neu installierten Anlagen kann zu Kosteneinsparungen resp. zur Vermeidung von zu viel bezahlten Leistungen führen. Je nach Vertrag kann nur die effektiv gelieferte Leistung bezahlt werden. Wie gross der erzielbare Nutzen ist, ist nur schwer zu beziffern und stark vom jeweiligen Einzelfall abhängig. Der Aufwand für die Messung darf jedenfalls nur einen Bruchteil der Investition für die Anlage ausmachen. Falls eine Abnahmemessung erforderlich ist, können die vermiedenen Kosten für diese Messung einer festen Messstelle gutgeschrieben werden, falls eine solche vorhanden ist und die Abnahmemessung damit erfolgen kann.
  • Grundlagen für den Anlagenersatz resp. Anlagenausbau: Die Messung der maximal abgegebenen Leistung einer installierten Anlage ermöglicht eine genaue Kenntnis der vorhandenen Leistungsreserve für Erweiterungen und stellt eine gute Grundlage für die Dimensionierung einer Ersatzanlage dar. Damit können unnötige Investitionen vermieden werden. Welcher finanzielle Nutzen daraus folgt, ist wiederum sehr vom Einzelfall abhängig. Maximal kann auch hier einer vorhandenen festen Messung der eingesparte Betrag gutgeschrieben wer-den, welcher sonst für eine temporäre Einzelmessung erforderlich wäre.

Zusammengefasst kann gesagt werden, dass nur die Energieeinsparung einfach in eine Kosteneinsparung umgerechnet werden kann. Allerdings muss von einem geschätzten Einsparpotenzial von z.B. 10 % des Energiebedarfs ohne Messungen ausgegangen werden. Da Messungen aber weiteren Nutzen haben, rechtfertigen sich im Sinne einer Faustregel Messpunkte immer dann, wenn die jährlichen Messkosten kleiner als 10 % der Kosten der gemessenen Energie sind.

Mit einfachen Leistungsgrenzen, ab welchen eine Messung für Betriebsoptimierung sinnvoll resp. wirtschaftlich gerechtfertigt ist, kann eine einfache Entscheidungs- und Planungsgrundlage geschaffen werden (Tab. 3).

Anhaltswerte für Grenzwerte, ab welchen sich eine Messung lohnt
Tab. 3: Anhaltswerte für Grenzwerte, ab welchen sich eine Messung lohnt

(Grundlagen: Sparpotenzial = 10 %, Messkosten = eingesparte Energiekosten, Wärmezähler kostet CHF 2000.–, Strom- oder Wasserzähler CHF 500.–, Unterhalt 3 % von Zählerkosten, Zinssatz 4 %, Lebensdauer Zähler 15 Jahre, dazu pro Zähler zwei Datenpunkte à CHF 500.–, Lebensdauer 10 Jahre, Unterhalt 5 %, pro Messstelle 1 h à CHF 100.– Arbeit pro Jahr)

Wenn mit der Messung weitere Vorteile erzielt werden können, können diese Grenzwerte auch tiefer sein.

In der obigen Tabelle nicht berücksichtigt ist die Tatsache, dass eine Messung allein noch keine Energie spart. Nur wenn die Daten auch gewissenhaft ausgewertet werden und die Optimierungsmöglichkeiten definiert und umgesetzt werden, kann Energie gespart werden. Umgekehrt kann oft eine Anlage ohne Messungen nicht optimiert werden.

Die obige Tab. 3 kann auch so gelesen werden: Unterhalb dieser Grenzwerte lohnt sich eine Messung zur Betriebsoptimierung normalerweise nicht.

6.3.6 Messprinzipien

6.3.1 Grundlagen Messkonzepte – 6.3.2 Umsetzung Messkonzepte – 6.3.3 Werkzeuge – 6.3.4 Darstellung des Messkonzeptes – 6.3.5 Kosten-Nutzen-Betrachtung – 6.3.6 Messprinzipien – 6.3.7 Messdatenauswertung

Struktur der Medienverteilung

Die Messungen der einzelnen Energie- resp. Medienbezüger erfordern eine entsprechende Verteilstruktur. Die Planung der Medienverteilung hat also auf das Messkonzept Rücksicht zu nehmen. Das Messkonzept muss deshalb früh genug erstellt werden.

Eine klare Verteilstruktur ermöglicht es auch, später oder bei Bedarf temporäre Messungen durchzuführen. Oft ist es sinnvoll, für den Einbau von Messgeräten den erforderlichen Platz resp. ein Leerteil generell vorzusehen. Dies kostet nicht viel, vereinfacht aber eine spätere, eventuell erforderliche Messung stark.

Auswahl der zu messenden Grössen

Es ist nur sinnvoll, Messdaten zu erfassen und Messungen einzurichten, welche auch wirklich ausgewertet werden. Die Gefahr, dass Datenfriedhöfe angelegt werden, ist gross. Oft ist weniger mehr.

Minimal sollten pro Gebäude (beim Gebäudeeintritt) alle zugeführten Medien gemessen werden.

Ablesung

Ab ca. 20 Messgeräten, die in einem Gebäude oder Betrieb installiert sind, sollte eine automatisierte Messdatenerfassung erwogen werden. Es gibt spezielle Messdatensysteme auf BUS-Technik. Auch das Gebäudeautomationssystem kann je nachdem zur Messdatenerfassung genutzt werden. Die Erfahrung zeigt, dass es aber oft einfacher ist, ein separates Messdatensystem aufzubauen. Hier kann heute z.B. über einen M-Bus oder einen Mod-Bus eine Kommunikationsverbindung zu einem zentralen Messdatenserver geschaffen werden.

Wenn manuell abgelesen wird, muss erfahrungsgemäss mit vielen Ablesefehlern gerechnet werden. Es sind sehr einfache Formulare und eine Schulung des Personals erforderlich.

In jedem Fall muss die Qualität und Plausibilität der Messdaten regelmässig überprüft werden.

6.3.7 Messdatenauswertung

6.3.1 Grundlagen Messkonzepte – 6.3.2 Umsetzung Messkonzepte – 6.3.3 Werkzeuge – 6.3.4 Darstellung des Messkonzeptes – 6.3.5 Kosten-Nutzen-Betrachtung – 6.3.6 Messprinzipien – 6.3.7 Messdatenauswertung

Nur Messungen, welche auch ausgewertet werden, machen einen Sinn. Der Aufwand für die Auswertung darf nicht unterschätzt werden.

Neben statistischen Auswertungen und Summenbildung für die Verrechnung ist für das Energiemanagement eine grafische Auswertung mit Trendkurven am hilfreichsten. Die Darstellung des Verlaufes des Verbrauchs (auch Histogramm genannt oder Energiesignatur) zeigt sofort Abweichungen. Der Erfolg von Massnahmen kann einfach überprüft beziehungsweise Defekte können früh erkannt werden.

Die Messdatenauswertung kann auf der Managementebene des Gebäudeautomationssystems erfolgen. Noch besser ist die Anschaffung einer speziellen Energiemanagementsoftware (siehe Kapitel 8).