Energiemanagement bei Planung und Betrieb von Gebäuden

9.2 Erfassen der aktuellen Situation

Ausgewählte Firmen für effiziente Energienutzung

9.1 Zielsetzung
9.2 Erfassen der aktuellen Situation
9.3 Vergleichswerte/Schwachstellenanalyse
9.4 Massnahmenplan mit Kosten-Nutzen-Verhältnis
9.5 Umsetzung der Massnahmen
9.6 Erfolgskontrolle

Grundlage ist die Kenntnis über die aktuelle Situation. Damit ist nicht nur der jetzige Verbrauch gemeint, sondern auch der Verlauf über die letzten Jahre.

Pro Gebäude, Mieteinheit oder/und Produktionseinheit sollten mindestens folgende Daten, über mindestens 3, besser 5 bis 10 Jahre aufgezeichnet oder zumindest in verwertbarer Form vorhanden sein. Weiter sollten sie monatlich erfasst und grafisch dargestellt werden können:

  • Wärmeverbrauch Heizung
  • Wärmeverbrauch Warmwasser
  • Evtl. Prozesswärmeverbrauch
  • Brennstoff- resp. Stromverbrauch für die Wärmeerzeugung
  • Heizgradtage
  • Wasserverbrauch total
  • Wenn möglich Wasserverbrauch für Warmwasser
  • Stromverbrauch, unterteilt nach Hoch- und Niedertarif, pro Gebäude
  • Evtl. Stromverbrauch für Prozesse, Grossverbraucher oder pro Zone
  • Auslastung, Anzahl Produktionseinheiten, Umsatz, Belegung usw.

Zusätzlich müssen alle baulichen Veränderungen und alle energierelevanten Anpassungen der Einrichtungen und Produktionsprozesse erfasst und registriert werden.

Je nach Betriebsgrösse und Energiekosten ist es nötig, mehr und detailliertere Zahlen zu kennen. Es sollten klare Kriterien erarbeitet werden, ab wann es sich lohnt, eine detaillierte Erfassung eines Energieverbrauchers einzuführen.

Je nach Kanton kann auch der Gesetzgeber separate Messungen von Verbrauchern verlangen, z.B. die separate Messung des Stromverbrauches von Kältemaschinen und Klimaventilatoren ab einer gewissen Grösse.

In jedem Fall ist es für die Schwachstellenanalyse sowie für das Erarbeiten von Massnahmen umso besser, je detaillierter und transparenter der Energieverbrauch, aber auch die ihn beeinflussenden Grössen bekannt sind. Beispielsweise ist eine einzige Messung des Stromverbrauches eines ganzen Gebäudekomplexes bei der Einspeisung ungeeignet, um irgendwelche Schlüsse bezüglich Sparpotenzial zu ziehen. Bestenfalls kann abgeleitet werden, dass Sparpotenziale vorhanden sein müssen, aber nicht, wie sie ausgeschöpft werden sollen.

Die Daten sollen soweit möglich bereinigt werden, das heisst, bekannte Einflussgrössen auf den Energieverbrauch wie Witterung (Heizgradtage), Auslastung usw. werden rechnerisch ausgeglichen. So werden unregelmässige Abweichungen besser sichtbar.

Energieflussdiagramm:

Für die Erfassung des Energieverbrauches ist ein Energieflussdiagramm eine Möglichkeit, den Energiefluss im Unternehmen grafisch darzustellen (siehe z.B. SIA 380/1).

Ein solches Energieflussdiagramm (Sankey-Diagramm, Abb. 44) muss der Planer oder ein Energiefachmann berechnen und aufzeichnen. Das Diagramm zeigt auf, wie die Energieversorgung erfolgt, wo wie viel Energie verwendet wird und wo Verluste entstehen. Es basiert auf der Energiebilanz, das heisst, auf der einen Seite werden die zufliessenden Energieströme gezeichnet, auf der anderen die wegfliessenden Energieströme. Die Summe aller zu- und wegfliessenden Energieströme muss gemäss erstem Hauptsatz der Thermodynamik Null sein.

Energieflussdiagramm für ein Gebäude mit Kühlung, angelehnt an Norm SIA 380/1 (2007)
Abb. 44: Energieflussdiagramm für ein Gebäude mit Kühlung, angelehnt an Norm SIA 380/1 (2007)
Merkblatt Energiekonzept, Stadt Zürich 2011

Energieflussdiagramme können für nur eine Komponente, z.B. für einen Heizkessel, für ein Gebäude oder für ganze Betriebe, ja für ganze Länder gezeichnet werden.

Da die einzelnen Flusspfeile massstäblich korrekt gezeichnet werden müssen (entsprechend dem Energiewert), ist das Erstellen eines Energieflussdiagramms manuell nicht ganz einfach. Besser ist es, eine geeignete Software zu verwenden. Dann wird die Aussagekraft eines solchen Diagramms gross und es ist einfach zu interpretieren.

Erfassen des Energieverbrauches/Messungen

Der Energie-, aber auch der Medienverbrauch können am sichersten mit Messungen erfasst werden. Bei der Energielieferung wird die Menge immer gemessen, damit sie verrechnet werden kann. Weitere Zähler sind oft nicht vorhanden, wären aber sinnvoll. Diese werden Privatzähler genannt. Bei der teilweise obligatorischen verbrauchsabhängigen Heizkostenabrechnung müssen geeichte Zähler eingebaut werden. Ansonsten können beliebige Zähler eingebaut werden. Privatzähler, welche «nur» der Energieoptimierung dienen, können deshalb möglichst einfach und billig sein.

Neben Messungen kann es aber oft auch andere Möglichkeiten geben, den Verbrauch näherungsweise zu erfassen. Bei Bezügern mit konstanter Leistung reicht eine Bestimmung der Betriebszeit, sei es mit einer Berechnung aufgrund der Einstellwerte der Steuerung, sei es mit einem Betriebsstundenzähler. Eine weitere Möglichkeit ist das Zählen von Verbrauchern, z.B. Beleuchtungskörper, und die Abschätzung der Betriebszeit. Diese könnte auch statistisch ermittelt werden, indem zu verschiedenen Zeiten die Anzahl der eingeschalteten Verbraucher erfasst wird und eine Hochrechnung gemacht wird. Schwieriger ist es, wenn diese Verbraucher eine variable Leistung haben (z.B. Kopiergeräte, geregelte Pumpen etc.). Dann muss eine Messung erfolgen. Diese kann auch nur temporär, während einer gewissen repräsentativen Zeit erfolgen und anschliessend kann eine Hochrechnung gemacht werden. Für gesteckte Geräte gibt es mobile Messgeräte, welche einfach zwischen Steckdose und Gerätestecker gesteckt werden können.

Wichtig ist hier ein pragmatisches Vorgehen, um mit möglichst wenig Aufwand eine möglichst aussagekräftige Kenntnis über die Aufteilung des Energieverbrauches zu erhalten.

Anpassen an den Gesamtverbrauch

Der Energieverbrauch aller einzelnen Verbraucher wird am Schluss zusammengerechnet und mit dem totalen, gemessenen Energieverbrauch verglichen. Nun kann der Energieverbrauch der geschätzten oder ungenau ermittelten Verbraucher noch angepasst werden, damit schlussendlich die Summe der Einzelverbraucher und des gemessenen totalen Verbrauches übereinstimmen.

Aufteilen und Darstellen des Energieverbrauches (SIA 380/4)

Der so ermittelte Energieverbrauch der verschiedenen Verbraucher muss sinnvoll dargestellt werden. Dazu kann die Empfehlung SIA 380/4 «Elektrische Energie im Hochbau» dienen.

In der SIA 380/4 wird der Stromverbrauch nach verschiedenen Verbrauchergruppen aufgeteilt.

In der SIA 380/4 wird der Energieverbrauch zusätzlich auf Zonen (gemäss Verwendungszweck der Flächen) aufgeteilt.

Kennzahlenbildung

Der erfasste Energieverbrauch muss in Kennzahlen umgerechnet werden, damit er vergleichbar mit Referenzwerten wird. Dazu wird der Energiebedarf von Gebäuden auf die Energiebezugsfläche bezogen.

Energiebezugsfläche Ae

Die Energiebezugsfläche ist die Summe aller ober- und unterirdischen Geschossflächen, für deren Benutzung ein Beheizen oder Klimatisieren notwendig ist. Geschossflächen mit einer lichten Raumhöhe kleiner als 1,0 m zählen nicht zur Energiebezugsfläche. Die Energiebezugsfläche wird brutto gerechnet, das heisst inkl. aller Aussen- und Innenwände und Schächte, Stützen etc. (gemäss SIA 416/1 «Kennzahlen für die Gebäudetechnik»).

Vereinfacht kann auch die Geschossfläche innerhalb des Wärmedämmperimeters verwendet werden.

Geschossfläche AGF

Die Geschossfläche gemäss Norm SIA 416 ist die allseitig umschlossene und überdeckte Grundrissfläche der zugänglichen Geschosse. Sie setzt sich zusammen aus der Nettogeschossfläche und der Konstruktionsfläche.

Nettogeschossfläche ANGF

Ist nur die beheizte Nettogeschossfläche (z.B. Mietfläche) bekannt, kann vereinfacht gerechnet werden:

Geschossfläche = Nettofläche / 0,9

Wärme (SIA 380/1)

Der Wärmeverbrauch von Gebäuden wird in der SIA 380/1 «Energie im Hochbau» behandelt. Die SIA 380/1 gibt Energiekennzahlen auf die korrigierte Energiebedarfsfläche bezogen an. Es werden Jahreswerte verwendet. Die SIA 380/1 behandelt den Prozessenergiebedarf (z.B. Wärmebedarf für Brotbackofen oder Sterilisation) nicht.

Es wird nach Heizwärmebedarf Qh und Warmwasserbedarf QWW unterteilt, je auf ein Jahr bezogen.

Heizwärmebedarf Qh = Wärmebedarf des Gebäudes zur Deckung der Wärmeverluste (Lüftungs- und Transmissionsverluste) vermindert um die (internen und externen) Wärmegewinne

Wärmebedarf für Warmwasser QWW = Wärmebedarf für Brauchwarmwasser an der Zapfstelle

Weiter werden die Energiekennzahlen für Heizung Eh und Warmwasser EWW sowie deren Summe, die Energiekennzahl Wärme Ew, angegeben.

Heizenergiebedarf (Energiekennzahl Heizung) Eh = Endenergieverbrauch für die Erzeugung der Heizwärme (z.B. Öl, Holz, Strom, Fernwärme etc., ohne Umweltenergie bei Wärmepumpen)

Energiebedarf (Energiekennzahl) für Warmwasser EWW = Endenergieverbrauch für die Erwärmung des Brauchwassers (z.B. Heizöl, Strom, Fernwärme etc., ohne Umweltenergie bei Wärmepumpen und Solarenergie)

Energiebedarf für Heizung und Warmwasser (Energiekennzahl Wärme) Ehww = Eh + EWW = dem Gebäude zugeführte Endenergie für Wärmeerzeugung (ohne Prozesswärmeerzeugung)

Zwischen dem Wärmebedarf und der Energiekennzahl E liegen die Erzeugungs- und Verteilverluste. Das Verhältnis von Wärmebedarf zu Energiebedarf wird als Nutzungsgrad η bezeichnet. Je tiefer der Nutzungsgrad ist, desto höher sind die Erzeugungs- und Verteilverluste.

Alle diese Kennzahlen sind auf ein Jahr bezogen.

Strom (SIA 380/4)

Der Stromverbrauch in einem Gebäude ist von wesentlich mehr Faktoren abhängig als der Wärmeverbrauch. Deshalb ist es schwieriger, vergleichbare Kennzahlen anzugeben.

In der alten Empfehlung SIA 380/1 (1988) war eine Energiekennzahl Elektrizität Ee angegeben, welche den gesamten Strombezug eines Gebäudes kennzeichnet und ebenfalls auf die Energiebezugsfläche Ae bezogen ist. Diese sagt zwar aus, wie viel Strom das Gebäude bezieht und lässt dadurch eine erste Beurteilung zu, insbesondere über die Entwicklung der vergangenen Jahre. Jedoch ist es kaum möglich, mit nur dieser Zahl eine Aussage über die Effizienz der Stromverwendung zu machen oder mit anderen Gebäuden zu vergleichen. Dazu muss der Stromverbrauch gemäss SIA 380/4 auf die verschiedenen Verwendungszwecke und die unterschiedlichen Nutzungszonen aufgeteilt werden. Die Verwendungszwecke sind nach Betriebseinrichtungen (was der Gebäudenutzer resp. Mieter installiert) und nach Haustechnik (was mit dem Gebäude fest verbunden ist) unterschieden (siehe auch Kapitel «Aufteilen und Darstellen des Energieverbrauches (SIA 380/4)»).

  • Betriebseinrichtungen: Alles, was in die Steckdosen eingesteckt wird: PC, Drucker, Kaffeemaschinen, Kopiergeräte, Staubsauger, Geräte etc. und alles, was vom Gebäudenutzer fest installiert wird: Kopierzentrale, Kücheneinrichtungen, gewerbliche Kälte, Verpflegungsautomaten, Waschmaschinen, Rechenzentrum etc.
  • Beleuchtung: Fest installierte Beleuchtungen, Stehleuchten, Tischleuchten, Dekorationsbeleuchtung, Aussenbeleuchtung, Not- und Fluchtwegbeleuchtung etc.
  • Lüftung/Klima: Lüftungsanlagen, Klimaanlagen, Klimakälte, Hilfsenergie Lüftung/Klima/Kälte
  • Diverse Gebäudetechnik: Transportanlagen (Lifte, Rolltreppen etc.), Verluste Elektroverteilung, Torantriebe, Schmutzwasserpumpen, Hilfsenergie Heizung etc.
  • Wärme: Elektrische Wärmeerzeugung und elektrische Wassererwärmung

Unter Wärme wird die elektrisch erzeugte Wärme für Heizung und Warmwasser (direkte Widerstandsheizung und Antrieb Wärmepumpen) separat der Vollständigkeit halber aufgeführt. Die Anforderungen dazu fallen aber unter die Empfehlung SIA 380/1.

In der Empfehlung SIA 380/4 wird eine Matrix verwendet. Die Gebäudefläche wird in verschiedene Nutzungszonen unterteilt. 22 Typen von Nutzungszonen sind mit einer Standardnutzung definiert. Für diese Zonen gibt es für den Stromverbrauch für Lüftung/Klima und Beleuchtung Grenzwerte des Energieverbrauches. Damit werden vergleichbare Werte zur Verfügung gestellt. Für andere, seltenere Nutzungen können teilweise Referenzwerte aus den Grundlagendaten in der SIA 380/4 abgeleitet werden.

Weil der Strombedarf nur wenig von der Raumhöhe abhängt (im Gegensatz zum Wärmebedarf), wird sich in der SIA 380/4 auf die nicht korrigierte Energiebezugsfläche der einzelnen Zonen bezogen.

Die Berechnung des Stromverbrauches der einzelnen Zonen erfolgt mit der Nettofläche, die Umrechnung in die Energiebezugsfläche (brutto) erfolgt mit dem Faktor 0,9.

Die Darstellung der Elektrizitätsbilanz nach SIA 380/4 mag aufwändig erscheinen. Die einzelnen Werte sind oft nicht bekannt und können auch nicht direkt gemessen werden. Dennoch ist es mit vernünftigem Aufwand möglich, eine solche Bilanz zu erstellen, wenn pragmatisch vorgegangen wird und nicht jede Zahl auf zwei Kommastellen genau gesucht wird.

Die Elektrizitätsbilanz gibt den Stromverbrauch in den einzelnen Zonen in Megawattstunden (MWh) pro Jahr an. Daraus lässt sich sehen, wo wie viel Strom verbraucht wird.

Das unten stehende Beispiel eines Bürohauses zeigt die hauptsächlichen Stromverbraucher und hilft damit, Stromsparpotenziale zu finden, aber auch eine Kostenzuteilung zu ermöglichen.

Vergleich mit Referenzwerten:

Die im unteren Bild aufgeführten Teil-Energiekennzahlen können mit gleichartigen Zonen und Verwendungszwecken in anderen Gebäuden verglichen werden. Für den eingerahmten Bereich sind für häufige Zonen Grenzwerte in der SIA 380/4 definiert, welche dem heutigen Stand der Technik entsprechen und bei fachgerechter Planung und Ausführung erreicht werden sollten. Da die Grenzwerte je nach Nutzung unterschiedlich sein können, wurden Anforderungen für die den Grenzwerten des Energieverbrauches zugrunde liegenden Installationen festgelegt. Daraus lassen sich für jede Nutzung und teilweise auch für nicht definierte Zonen Grenzwerte herleiten.

Beispiel:

Zone: Büro. Haustechnik, Beleuchtung

Es werden zwei von den Anforderungen und der Bauweise her identische Büros betrachtet:

  • ein Bankbüro, Betriebszeit 5-Tage-Woche à 9 Stunden, 250 Tage pro Jahr = > 2250 h
  • ein Polizeibüro 7-Tage-Woche, 24 h Betrieb = > 8760 h pro Jahr

Es ist klar, dass das Polizeibüro wesentlich mehr Energie für die Beleuchtung benötigt als das Bankbüro, dass also der Grenzwert unterschiedlich sein muss, auch wenn die Anforderung an die Beleuchtung in beiden Räumen gleich ist.

Aus dem obigen Beispiel wird klar, dass es nicht reicht, ein Gebäude in gleichartige Zonen einzuteilen und den Stromverbrauch für denselben Verwendungszweck zu betrachten, sondern dass auch noch die Art der Raumnutzung und die Betriebszeit eine wesentliche Rolle spielen.

Es werden Anwendungsprogramme entwickelt, welche diese Berechnungen und die Bestimmung der Grenzwerte vereinfachen. Diese sind auf der Homepage energycodes.ch zu finden.