Konzept für ein kostengünstiges Monitoring des Gebäudeenergiehaushalts


Bachelorarbeit, 2016

36 Seiten, Note: 1,9


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1. Das Monitoring des Gebäudeenergiehaushaltes
1.2. Zielsetzung und Eingrenzung des Untersuchungsbereiches

2. Ermittlung relevanter Messgrößen
2.1. Messbare Einflussgrößen einer Gebäudeenergiebilanz
2.1.1. Berechnung der Norm-Heizlast gemäß DIN EN 12831
Norm-Transmissionswärmeverlust für beheizte Räume:
Norm-Lüftungswärmeverluste:
2.1.2. Ermittlung interner Wärmegewinne
2.1.3. Ermittlung der passiven solaren Fremdwärme
2.2. Messung von Wärme- und Brennstoffverbrauch
2.2.1 Wärmeverbrauch
2.2.2. Brennstoffverbrauch
2.3. Zusammenfassung der relevanten Messgrößen

3. Für das Energiemonitoring relevante Sensoren
3.1. In der Gebäudetechnik vorhandene Sensoren
3.2. Zusätzliche Sensoren zur Ermittlung umweltbeeinflusster Messgrößen
3.3. Nutzung der Smart Meter Technologie
3.3.1. Nachrüsten analoger Zähler
3.4. Zusammenfassung der notwendigen Sensoren:

4. Der Raspberry Pi als Messrechner
4.1. Anschluss der Sensoren an den Raspberry Pi
4.1.1. Die Verwendung kabelgebundener Sensoren per 1-Wire Bus
4.1.2. Die Verwendung von Funksensoren
4.2. FHEM als Steuerungssoftware

5. Praxisbeispiel – Auslesen eines Temperatursensors mit dem Raspberry Pi3

6. Fazit

Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Gebäudeenergiehaushalt

Abbildung 2: Struktur der Bachelorarbeit

Abbildung 3: Aufbau eines simplen Zentralheizungssystems

Abbildung 4: Energieträger zur Wärmeerzeugung in deutschen Haushalten 2014.

Abbildung 5: FHEM Webinterface nach erstmaligem Start

Abbildung 6: Raspberry Pi 3 Modell B

Abbildung 7: Anschlussskizze des DS18B20

Abbildung 8: Foto eines DS18B20 Sensors ins Standardausführung

Abbildung 9: Schaltplan des Sensors

Abbildung 10: Versuchsaufbau auf einem Steckbrett

Abbildung 11: Die Messergebnisse des DS18B20 als FHEM Graph

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Faktoren zur Berechnung der Norm-Transmissionswärmeverluste

Tabelle 2: Faktoren zur Berechnung der Norm-Lüftungswärmeverluste

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Der Klima- und Ressourcenschutz gelten als eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Nicht nur der anhaltende Klimawandel, sondern auch die immer geringer werdenden Primärenergievorräte zwingen die Menschheit zu einem nachhaltigeren Umgang mit knapper werdenden Rohstoffen und Ressourcen. Gerade der Gebäudesektor, in dem in Deutschland etwa 40%[1] der Endenergie verbraucht werden, bietet große Möglichkeiten, Energie einzusparen. Um die Energieverbrauchswerte von Gebäuden zu senken, werden umfangreiche Investitionen im Bereich der Wärmedämmung und der Versorgung der Gebäude mit erneuerbarer Energie getätigt. Aber auch ein gesteigertes Bewusstsein der Gebäudenutzer bzgl. des eigenen Energieverbrauches und eine effizientere Steuerung von Heizungs- und Lüftungsanlagen helfen dabei, den Verbrauch zu senken. Um dies zu erreichen, ist es von Vorteil, die wichtigsten energetischen Einflussgrößen im Gebäude zu messen. Anhand der so gewonnenen Daten können die Nutzer mehr über ihren Energieverbrauch erfahren und motiviert werden, diesen zu senken. Des Weiteren können diese Daten als Grundlage für eine bedarfsorientierte und ressourcenschonende Steuerung der gebäudetechnischen Anlagen genutzt werden. So wie es heute selbstverständlich ist, elektronische Geräte und moderne Kommunikationstechnik im Haushalt zu nutzen, so muss auch im Bereich der Installationstechnik auf fortschrittliche Technologien gesetzt werden. Die Vernetzung einzelner Komponenten der technischen Anlagen und der Einsatz von Gebäudeautomationstechnik ermöglichen den Anwendern nicht nur einen höheren Komfort und eine erhöhte Sicherheit, sondern auch das Einsparen von Ressourcen.

1.1. Das Monitoring des Gebäudeenergiehaushaltes

Monitoring bedeutet, Vorgänge und Prozesse systematisch zu messen und zu überwachen. Im Bereich der Gebäudetechnik spielt vor allem das Energiemonitoring eine wichtige Rolle. Beim Energiemonitoring eines Gebäudes geht es darum, die Energieverbräuche mit Hilfe technischer Geräte zeitnah zu messen und zu visualisieren. Während die Messung des Energieverbrauchs in der Vergangenheit vor allem über die jährliche Abrechnung des Energielieferanten erfolgte, soll der Verbrauch durch das Monitoring in kürzeren Abständen erfasst werden. Ein automatisiertes Messen des Gebäudeenergieverbrauches durch elektronische Sensoren hat Vorteile für die Energielieferanten, die Wohnungsinhaber und gegebenenfalls auch für die Mieter. Dem Energielieferanten steht ein zusätzliches Mittel zur statischen Auswertung der Liefermengen zur Verfügung. Die Nutzer, seien es die Wohnungsinhaber oder im Falle einer Mietwohnung die Mieter, haben die Möglichkeit, den Energieverbrauch über einen kurzen Zeitraum hinweg zu messen und zu beobachten. Somit können leichter Rückschlüsse auf das Verbrauchsverhalten gezogen und die Nutzer motiviert werden, Energie einzusparen.[2] Durch Sensoren in den einzelnen Räumen eines Gebäudes ist es weiterhin möglich, den Gesamtverbrauch aufzuschlüsseln und den jeweiligen Wohnungen sowie Zimmern zuzuordnen.

Der Energieverbrauch ist aus finanzieller Sicht von großem Interesse, da er direkten Rückschluss auf die entstandenen Kosten gibt. Er ist jedoch nicht die einzige Größe, die bei der Betrachtung des Energiehaushaltes berücksichtigt werden sollte. Durch den Einbezug der äußeren Umwelteinflüsse in Form von Witterung und Sonneneinstrahlung lassen sich auch die Ursachen für den jeweiligen Bedarf an Heizenergie oder Lüftungsenergie ermitteln. Auch die inneren Einflüsse durch den Gebäudenutzer in Form von Körperwärme und die Abwärme der Leuchtmittel und Geräte sind nicht zu vernachlässigen. Diese lassen sich jedoch bisher nur sehr schwer messtechnisch erfassen.[3]

Aus diesem Grund sollte der Gebäudeenergiehaushalt als komplexes Zusammenspiel verschiedener Einflüsse beziehungsweise Faktoren betrachtet werden. Wenn alle wichtigen veränderlichen Einflüsse mit Hilfe entsprechender Messtechnik erfasst werden, lässt sich der Energieverbrauch noch genauer rekonstruieren. Daraus können Einsparpotentiale abgeleitet und Energiesparkonzepte entworfen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 : "Gebäudeenergiehaushalt" - Darstellung der Energieströme eines Gebäudes und der wichtigsten Einflussgrößen. (Eigene Darstellung)

1.2. Zielsetzung und Eingrenzung des Untersuchungsbereiches

Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, ein Konzept auszuarbeiten, welches ein kostengünstiges und minimal-invasives Monitoring des Gebäudeenergiehaushaltes ermöglicht. Dazu sollte man beachten, dass die meisten Gebäude Unikate sind, deren exakte Bauweise so nur einmal weltweit existiert. Dies bedeutet auch, dass sich die energetischen Anlagen und die Art der Energienutzung von Gebäude zu Gebäude unterscheiden. Es ist demnach äußerst schwierig, ein universelles Konzept zu entwerfen, das sich auf jede Immobilie beliebiger Bauart anwenden lässt. Daher ist es nötig, den Untersuchungsbereich einzugrenzen und mit dem Konzept exemplarische Möglichkeiten des Monitorings aufzuzeigen, welche variabel sind und sich auf möglichst viele Bauwerke anwenden lassen.

Diese Arbeit ist deduktiv strukturiert, sodass zuerst die allgemeinen Messgrößen im Gebäudeenergiehaushalt dargestellt werden. Bei der Wahl der Sensoren und den Methoden die Messwerte auszulesen, erfolgt eine Spezialisierung auf bestimmte Typen von Hard- und Software. Das Praxisbeispiel zum Schluss stellt detailliert dar, wie ein Sensor ausgewertet wird. Dabei wird der Untersuchungsrahmen auf die Art des Sensors (Temperatursensor), das Gerät zum Auslesen (Raspberry Pi) und die Art der Anbindung an dieses (1-Wire Bus) beschränkt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 : Struktur der Bachelorarbeit (Eigene Darstellung)

Da die Raumwärmeversorgung mit ca. 74%[4] den größten Anteil der in deutschen Haushalten verbrauchten Endenergie einnimmt, liegt das besondere Augenmerk dieser Arbeit auf dem Wärmehaushalt eines Gebäudes. Ein weiterer Grund für diese Eingrenzung ist, dass sich der Verbrauch an elektrischer Energie unkompliziert über den Stromzähler sowie Anzahl und Art der benutzten elektronischen Geräte ermitteln und bewerten lässt. Auch die Warmwassererzeugung und –nutzung wird bewusst nicht berücksichtigt, da es viele unterschiedliche Varianten der Erzeugung gibt. Sollte diese über die Heizungsanlage erfolgen, besteht die Möglichkeit, den Energiebedarf für die Warmwasserbereitung über einen Wärmemengenzähler beziehungsweise über die Warmwasserzähler in den Wohnungen zu ermitteln oder abzuschätzen. Auch bei der Nutzung eines Elektroboilers oder eines Durchlauferhitzers kann der Energiebedarf über den Stromverbrauch ermittelt werden.[5]

In diesem Konzept wird davon ausgegangen, dass im Gebäude eine herkömmliche Heizungsanlage mit Öl- oder Gasheizkessel zum Einsatz kommt. Eine Solarthermieanlage oder andere zusätzliche Wärmeerzeuger, wie zum Beispiel Kachelöfen, finden keine Berücksichtigung. Auch Klimaanlagen oder sonstige raumlufttechnische Anlagen sind nicht vorhanden.

Zur Ermittlung von Einflussgrößen auf Wärmeverluste eines Gebäudes werden in Kapitel 2.1.1 die Formeln zur Berechnung der Transmissions- und Lüftungswärmeverluste betrachtet. Dazu werden die Formeln in ihre Bestandteile zerlegt und mit Hilfe einer Tabelle werden diejenigen Faktoren bestimmt, die veränderlich sind und mit Hilfe von Sensoren gemessen werden können. Dabei findet keine Gewichtung dieser Faktoren hinsichtlich ihres Einflusses statt.

In Kapitel 4 wird der Raspberry Pi als Messrechner vorgestellt und im darauf folgenden Kapitel werden die Anschlussmöglichkeiten der Sensoren an den Raspberry dargestellt. Bei den kabelgebundenen Anschlussmöglichkeiten liegt der Schwerpunkt auf der 1-Wire Technologie. Es gibt je nach Hersteller viele verschiedene Kommunikationsprotokolle für Sensoren, der 1-Wire Bus ist jedoch eins der verbreitetsten, das außerdem vom Raspberry Pi problemlos unterstützt wird.

Bei der Wahl der Software, die auf dem Raspberry Pi zum Einsatz kommt, wird versucht, nach Möglichkeiten auf quellenoffene Software (Open Source Software) zurückzugreifen. Diese ist kostenlos erhältlich und bietet den Vorteil, dass sie meistens über eine große Community von Entwicklern und Nutzern verfügt. Dadurch stehen zum Beispiel für die Heimautomatisierungssoftware FHEM eine große Anzahl an Erweiterungen zur Verfügung, was einen besonders vielseitigen Einsatz erlaubt.

2. Ermittlung relevanter Messgrößen

Im folgenden Kapitel werden alle relevanten Messgrößen ermittelt, die bei einem vollständigen Monitoring des Gebäudeenergiehaushaltes berücksichtigt werden sollten. Dazu wird eine Gebäudeenergiebilanz betrachtet und die meist witterungsbedingten Parameter ermittelt, die veränderlich sind und für das Monitoring gemessen werden. Des Weiteren werden Messgrößen wie der Wärme- und Brennstoffverbrauch ermittelt, die nicht in der Gebäudeenergiebilanz auftauchen, jedoch für das Monitoring des Gebäudeenergiehaushaltes von Interesse sind.

2.1. Messbare Einflussgrößen einer Gebäudeenergiebilanz

Eine Gebäudeenergiebilanz wird erstellt, um den Energieverbrauch eines Gebäudes zu ermitteln und zu analysieren, an welcher Stelle Energie verbraucht wird. Dazu werden die hinein- und hinausfließenden Energieströme bilanziert. Energien, die in das Gebäude hineinfließen sind Wärmeenergie, elektrische Energie, Strahlungsenergie oder chemisch gebundene Energie. Diese Energien treten im Allgemeinen als Wärmeenergie und Strahlung wieder aus dem Gebäude aus. Für eine Energiebilanz werden diese Energieströme über eine festgelegte Periode (i.d.R. ein Jahr) erfasst. Je nach Anforderung kann auch nur ein Teil der Energieströme erfasst werden.[6]

Da sich diese Arbeit primär mit dem Wärmehaushalt eines Gebäudes befasst, werden im Anschluss diejenigen Parameter ermittelt, welche zur Bilanzierung der thermischen Energien benötigt werden. Hierbei wird zwischen Heizenergie und Energie zur Warmwasserversorgung unterschieden. Im Folgenden sollen die Einflussparameter einer solchen Energiebilanz in Form einer Wärmebedarfsrechnung ermittelt werden. Der Wärmebedarf eines Gebäudes ergibt sich hierbei aus der Differenz zwischen Wärmeverlusten und Wärmegewinnen.

Zur Berechnung der Wärmeverluste orientiert sich diese Arbeit am Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast gemäß DIN EN 12831. Hierbei ist zu beachten, dass es sich um ein statisches Verfahren handelt, mit dem die maximal notwendige Leistung der Heizungsanlage berechnet wird. Im Rahmen dieser Arbeit sollen jedoch zeitlich veränderliche Werte ermittelt werden, die beim Verfahren zur Berechnung der Normheizlast in dieser Art keine Verwendung finden, da es kein dynamisches, d.h. jahres- und tageszeitabhängiges Verfahren ist. Es wird an dieser Stelle trotzdem angewendet, da sich die veränderlichen Parameter in der Praxis auch dynamisch erfassen lassen. Außerdem gibt es schon wissenschaftliche Ansätze die Heizlast ähnlich der Kühllast dynamisch zu berechnen. Diese haben sich in der Fachwelt jedoch noch nicht durchgesetzt.[7] Wärmegewinne entstehen aus interner Fremdwärme und passiver solarer Fremdwärme. Sie werden in der DIN EN 12831 nicht berücksichtigt, weshalb sie an dieser Stelle auch gesondert behandelt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.1. Berechnung der Norm-Heizlast gemäß DIN EN 12831

Die Heizlast gibt an, welche Wärmemenge pro Zeiteinheit dem Gebäude zugeführt werden muss, um witterungsbedingte Wärmeverluste zu kompensieren und die erforderliche Norm-Innenraumtemperatur zu gewährleisten. Der Ablauf des Berechnungsverfahrens zur Ermittlung der Heizlast erfolgt raumweise und ist in der DIN EN 12831 beschrieben, die zusammen mit dem nationalen Anhang (NA) am 6. Juli 2002 in Kraft trat (bisher geltende Normen, behielten ihre Gültigkeit noch bis 31. März 2004).[8] Die Größe der Heizlast ist vom Standort des Gebäudes, dem Bestimmungszweck der einzelnen Räume und der Bauweise der Gebäudehülle abhängig. Hierbei beeinflusst der Ort, an dem sich das Gebäude befindet, die Normaußentemperatur, den Windanfall und die Lage (geschützt oder ungeschützt). Der Bestimmungszweck der Räume bedingt die gewünschte Raum-Innentemperatur. Die Bauweise der Gebäudehülle hat Einfluss auf deren Luftdichtheit und die Qualität des Wärmeschutzes.[9]

Bei der Berechnung der Heizlast werden die Norm-Transmissionswärmeverluste und die Norm-Lüftungswärmeverluste addiert. Transmissionswärmeverluste entstehen auf Grund von Wärmeleitung durch die raumumschließenden Flächen nach außen oder zu Nachbarräumen mit niedrigerer Temperatur. Um sie zu berechnen werden mehrere Transmissionswärmeverlustkoeffizienten addiert und mit der Differenz aus Norm-Außentemperatur und Norm-Innentemperatur multipliziert. Lüftungswärmeverluste entstehen durch Lüftung nach außen oder auf Grund von Infiltration durch die Gebäudehülle zwischen dem beheizten Raum und Nachbarräumen mit niedrigerer Temperatur. Um sie zu berechnen wird der Norm-Lüftungswärmeverlustkoeffizient mit der Differenz aus Norm-Außentemperatur und Norm-Innentemperatur multipliziert.[10]

In den folgenden Tabellen soll genauer auf die Formeln zur Berechnung der Wärmeverluste eingegangen werden, um bezogen auf ein bestimmtes Gebäude diejenigen Faktoren zu ermitteln, welche veränderlich sind. Diese können über entsprechende Sensoren gemessen und gespeichert werden und helfen somit, die Gebäudeenergiebilanz zu vervollständigen.

Norm-Transmissionswärmeverlust für beheizte Räume:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Faktoren zur Berechnung der Norm-Transmissionswärmeverluste (Grün = messbare variable Werte)

In den Formeln zur Berechnung der Transmissionswärmeverlustkoeffizienten sind zusätzlich die witterungsbedingten Korrekturfaktoren ek und e1 (bei der Berechnung der Transmissionswärmeverluste durch Wärmebrücken) enthalten. Diese berücksichtigen meteorologische Einflüsse, die bei der Bestimmung der Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werte) nicht mit einbezogen wurden. Diese können beispielsweise unterschiedliche Dämmung, Feuchtigkeitsabsorption der Bauteile, Windgeschwindigkeit und Temperatur sein. Diese Faktoren werden jedoch auf nationaler Ebene bestimmt und haben in Deutschland den Wert 1,0.[11] Deshalb werden sie bei der Berechnung der Transmissionswärmeverluste nicht berücksichtigt beziehungsweise werden in Berechnungs-Formblättern oft nicht erwähnt. Trotzdem geben sie Aufschluss über zusätzliche Faktoren, die den Gebäudeenergiehaushalt beeinflussen können.

Norm-Lüftungswärmeverluste:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Faktoren zur Berechnung der Norm-Lüftungswärmeverluste (Grün = messbare variable Werte)

Bei der Berechnung der Lüftungswärmeverluste wird an dieser Stelle davon ausgegangen, dass keine lufttechnischen Systeme vorhanden sind und die Lüftung auf natürlichem Wege funktioniert. Im Falle einer mechanischen Lüftung kann es sein, dass Wärmerückgewinnungssysteme oder eine zentrale Aufbereitung (mit Vorheizung der Außenluft) zum Einsatz kommen. Dies führt dazu, dass die Zuluft andere thermische Eigenschaften aufweist als die Außenluft. In diesem Fall wäre der Wert des Luftvolumenstroms durch die Leistung der lufttechnischen Anlage bestimmt und ein Temperaturreduktionsfaktor käme zum Einsatz.

2.1.2. Ermittlung interner Wärmegewinne

Die internen Wärmegewinne eines Gebäudes hängen von der Art der Nutzung, der technischen Ausstattung, der Personenbelegung und dem Betrieb von Anlagen ab. Bei der Berechnung gemäß DIN V 4108-6 wird die mittlere interne Wärmeleistung qi,M mit der Bezugsfläche AB (alternativ Gebäudenutzfläche AN) multipliziert. Dabei ist der Faktor qi,M von der Art der Gebäudenutzung abhängig. Bei Wohngebäuden beträgt er beispielsweise 5W/m² und bei Büro- und Verwaltungsgebäuden 6W/m².[12] Der höhere Wert der Bürogebäude resultiert aus der zusätzlichen Wärme, die bei der Nutzung elektronischer Geräte anfällt. Folgendes sind die wichtigsten Verursacher interner Gewinne:

- Mensch -► Körperwärme

- Elektrische Geräte -► Abwärme

- Warmwasserverbrauch -► Warmwasser gibt beim Erkalten Wärme in den Raum ab

- Beleuchtung -► Eine Glühbirne hat einen Wirkungsgrad von etwa 5%, d.h. die restlichen 95% der Energie entweichen als Wärmestrahlung[13]

Die variablen Einflüsse auf die internen Wärmegewinne lassen sich nur bedingt messen. Eine Möglichkeit diese ansatzweise zu bestimmen, besteht aus der Beobachtung des Stromverbrauchs. Dieser lässt sich über den Stromzähler auslesen und gibt Aufschluss über die Benutzung elektronischer Geräte und der Beleuchtung. Er gibt auch Aufschluss über die Gebäudenutzer: sind viele Menschen im Gebäude, besteht ein erhöhter Stromverbrauch und z.B. in der Nacht, wenn Büros nicht genutzt werden, geht der Stromverbrauch gegen null.

2.1.3. Ermittlung der passiven solaren Fremdwärme

Passive solare Fremdwärme entsteht auf Grund der Sonneneinstrahlung durch die Gebäudehülle. Der solare Fremdwärmeanfall ist abhängig von der Sonnenstandwanderung und hat starke tageszeit- und jahreszeitabhängige Schwankungen. Er wird durch die Größe, Ausrichtung und den Energiedurchlassgrad der transparenten Flächen der Gebäudehülle (Fenster) sowie von deren Verschattung und Verschmutzung bestimmt.[14] Formeln zur Berechnung der solaren Wärmegewinne finden sich in der DIN V 4108-6.

Zur Bestimmung der solaren Wärmegewinne sind folgende Faktoren nötig:

- die mittlere solare Einstrahlung auf Bauteiloberflächen in Abhängigkeit von deren Orientierung und Neigung
- der Gesamtenergiedurchlassgrad transparenter Bauteile
- Abminderungsfaktoren
- Absorptionsgrade nicht transparenter Bauteil
- der Rahmenanteil, sofern keine genaueren Werte bekannt sind, beträgt 30[15]

Die variable messbare Komponente bei der Berechnung solarer Wärmegewinne ist die mittlere solare Einstrahlung. Diese ist abhängig vom Sonnenstand und dem Grad der Bewölkung. Sie wird mit einem Luxmeter gemessen, das den einfallenden Lichtstrom pro Flächeneinheit in der Einheit lux ermittelt.

2.2. Messung von Wärme- und Brennstoffverbrauch

Neben den Einflussgrößen auf die Gebäudeenergiebilanz gibt es weitere relevante Messgrößen, welche bei einem Monitoring des Gebäudeenergiehaushaltes berücksichtigt werden sollten. In erster Linie sind hierbei Messgrößen zu beachten, die den tatsächlichen Wärmeverbrauch eines Gebäudes wiedergeben. Zwei wichtige Größen sind die Vorlauf- und die Rücklauftemperatur, über die sich der Wärmeverbrauch berechnen lässt.

2.2.1 Wärmeverbrauch

Die Vorlauftemperatur ist die Temperatur, die das Heizwasser hat, bevor es dem Heizkörper zugeführt wird. Dabei kann es aufgrund von Wärmeverlusten im Leitungssystem zu einem geringen Unterschied zwischen der Temperatur nach dem Austritt aus dem Heizgerät und der Temperatur beim Eintreffen am Heizkörper kommen. Gemäß der Heizungsanlagenverordnung von 1978[16] erfolgt Regelung der Vorlauftemperatur meist automatisch in Abhängigkeit der Außentemperatur, teils werden auch die Sonneneinstrahlung und die Tageszeit berücksichtigt. Die Rücklauftemperatur ist die Temperatur des abgekühlten Wassers, wenn es vom Heizkörper zur Heizanlage zurückfließt. Die Differenz zwischen diesen beiden Werten wird Temperaturspreizung genannt. In der Regel werden diese Temperaturen nahe am Heizgerät gemessen.[17]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 : Aufbau eines simplen Zentralheizungssystems mit Heizungsvorlauf und –rücklauf. (Eigene Darstellung)

Der exakte Wärmeverbrauch eines Gebäudes wird mit der Hilfe eines Wärmezählers (auch Wärmemengenzähler) gemessen. Dazu wird die Temperaturspreizung (zwischen Heizungs-vorlauf und Heizungsrücklauf) mit der Durchflussmenge multipliziert. Neben den Vor- und Rücklaufthermometern benötigt ein Wärmezähler noch einen Wassermengenzähler. Das Ergebnis wird in kWh angezeigt. Die genaue Funktionsweise dieser Geräte ist in der DIN EN 1434 geregelt.[18]

2.2.2. Brennstoffverbrauch

Der sowohl aus ökonomischer als auch aus ökologischer Sicht interessanteste Messwert im Gebäudeenergiehaushalt ist der Brennstoffverbrauch. Im Energiesparausweis gemäß Energieeinsparverordnung (EnEV) werden der Endenergiebedarf und der Primärenergiebedarf eines Gebäudes in kWh/(m²*a) angegeben. Der Endenergiebedarf ist die Energiemenge, die nach Abzug der Übertragungs- und Wandlungsverluste verbraucht wird, um ein bestimmtes Raumklima zu gewährleisten. Der Primärenergieverbrauch hingegen bezieht sich auf die Energiemenge aller eingesetzten Primärenergieträger wie Kohle oder Erdgas, bevor sie in Energieformen wie Strom oder Wärme umgewandelt werden und als Endenergie genutzt werden. Dieser ist oft wesentlich höher als der Endenergieverbrauch und gibt Aufschluss über die Auswirkungen des Energieverbrauches auf die Umwelt. Beide Werte berücksichtigen neben der Wärmeerzeugung auch den Warmwasserbedarf und den Stromverbrauch eines Gebäudes.[19] Der Heizenergiebedarf lässt sich sowohl messtechnisch erfassen, als auch berechnen und gibt meistens direkten Aufschluss über den Brennstoffverbrauch.

Im Rahmen dieser Arbeit soll untersucht werden, inwiefern sich der direkte Verbrauch an Brennstoffen unabhängig von der produzierten Wärmemenge erfassen lässt. Dies ist insofern von Interesse, da die Differenz zwischen den zur Wärmeerzeugung verbrauchten Energieträgern und der tatsächlich produzierter Wärmeenergie Aufschluss über die Effizienz der Heizungsanlage gibt.

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 : Energieträger zur Wärmeerzeugung in deutschen Haushalten 2014.

(Eigene Darstellung, Quelle der Daten: Statista)

Die häufigsten Energieträger in deutschen Haushalten sind Erdgas und Mineralöl (Heizöl). Mineralöl wird in speziellen Tanks gelagert, die sich beim Verbraucher im Keller oder unter der Erde befinden. Erdgas wird in der Regel über das Erdgasnetz des lokalen Energieversorgers bezogen. Des Weiteren gibt es noch das sogenannte Flüssiggas, das ähnliche Eigenschaften aufweist wie Erdgas, jedoch beim Verbraucher in Tanks gelagert wird.

Der Ölverbrauch einer Heizung lässt sich über mehrere Wege ermitteln. Die exakteste Methode ist hierbei ein Ölmengenzähler, der in der Leitung zwischen Tank und Brenner verbaut wird. Die Messung eines Ölmengenzählers ist sehr genau und es lassen sich sogar stündliche Änderungen im Verbrauch erfassen. Eine weitere präzise Methode ist die Messung der Betriebsstunden des Brenners, über die sich der Ölverbrauch ermitteln lässt. Auch über die Füllstandanzeige des Tanks kann der Verbrauch abgeschätzt werden. Allerdings lässt sich der Füllstand über die analoge Tankanzeige nicht sehr genau ablesen. Außerdem ist die Betrachtung des Füllstands über einen größeren Zeitraum hinweg notwendig. Bei einer Gasheizung, die über ein Erdgasnetz mit Brennstoff versorgt wird, lässt sich der Verbrauch präzise über den Gaszähler ermitteln. Bei Heizungen, die mit einem Flüssiggastank versorgt werden, lässt sich der Verbrauch ebenfalls über einen Gaszähler, der zwischen Heizung und Tank angebracht ist, messen. Alternativ lässt sich auch hier der Verbrauch relativ ungenau über die Messung des Füllstands abschätzen.

2.3. Zusammenfassung der relevanten Messgrößen

Die ermittelten Messgrößen lassen sich in zwei Kategorien einteilen. Das sind zum einen die Umwelteinflüsse, die von außen auf ein Gebäude einwirken[20] und zum anderen Messwerte[21], die durch das Nutzerverhalten beeinflusst werden.

Zu den externen Messgrößen zählen folgende:

- Außentemperatur
- Windgeschwindigkeit und Windrichtung
- Luftfeuchtigkeit (außen)
- Solare Einstrahlung

Werte, die im Inneren des Gebäudes gemessen werden, werden direkt vom Nutzer und dessen Verhalten beeinflusst. Die meisten dieser Größen hängen vom Heizverhalten der Gebäudenutzer ab:

- Innentemperatur
- Luftfeuchtigkeit (innen)
- Wärmemenge
- Vorlauftemperatur
- Rücklauftemperatur
- Brennstoffverbrauch

[...]


[1] Vgl. BMWi (2014), Seite 6

[2] Vgl. Binternagel (2002), Seite 7

[3] Siehe auch Kapitel 2.1.2

[4] Vgl. Umweltbundesamt (2002), Seite: 15

[5] Vgl. Paschotta; Warmwasser

[6] Vgl. Jagnow (2004), Seite: 37

[7] Vgl. Nadler (2012), Seite 1

[8] Vgl. DIN EN 12831:2003-08, Seite 1

[9] Vgl. Pistohl (2013), Seite H19

[10] Vgl. Pistohl (2013), Seite H19ff.

[11] Vgl. DIN EN 12831:2003-08, Seite: 16

[12] Vgl. DIN V 4108-6:2003-06, Seite 73

[13] Vgl. Paschotta, Glühlampe

[14] Vgl. Jagnow (2004), Seite 42

[15] Vgl. DIN V 4108-6:2003-08, Seite 31ff.

[16] Vgl. Jagnow (2004), Seite 24

[17] Vgl. Paschotta, Vorlauftemperatur

[18] Vgl. Pistohl (2013), Seite H234

[19] Vgl. Verbraucherzentrale NRW e.V.

[20] Im Folgenden auch als „Externe Messgrößen“ bezeichnet

[21] Im Folgenden auch als „Interne Messgrößen“ bezeichnet

Ende der Leseprobe aus 36 Seiten

Details

Titel
Konzept für ein kostengünstiges Monitoring des Gebäudeenergiehaushalts
Hochschule
Bauhaus-Universität Weimar
Note
1,9
Autor
Jahr
2016
Seiten
36
Katalognummer
V355486
ISBN (eBook)
9783668421202
ISBN (Buch)
9783668421219
Dateigröße
1191 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Monitoring, Gebäudeenergiehaushalt, Raspberry Pi, Energiemonitoring
Arbeit zitieren
Valentin Exner (Autor), 2016, Konzept für ein kostengünstiges Monitoring des Gebäudeenergiehaushalts, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/355486

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