Technische Umsetzung der Anforderungen des GEG an die Gebäudeautomation (Teil 2)

Teil 2: Anforderungen des GEG an die Gewerke Kühlung und raumlufttechnische Anlagen

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Das Gebäudeenergiegesetz (GEG) findet auch Anwendung auf Anlagen und Einrichtungen der Kühl- und Raumlufttechnik. Gemäß Teil 4 des GEG dürfen diese Anlagen nicht verändert werden, wenn sie zur energetischen Qualität des Gebäudes beitragen (§ 57). Zudem müssen sie betriebsbereit gehalten werden (§ 58), um eine bestimmungsgemäße Nutzung zu erhalten. Der Betreiber hat die Anlagen sachgerecht zu bedienen (§ 59) und Wartung sowie Instandhaltung sicherzustellen (§ 60).

Hierbei steht vor allem die Energieeffizienz der Anlagen im Vordergrund. Der Energiebedarf der Anlagen wird im Wesentlichen durch zwei Bereiche determiniert: den Bedarf an elektrischer Energie und den thermischen Energiebedarf, der zum Heizen und Kühlen der Außenluft auf den gewünschten Zuluftzustand erforderlich ist. Hier noch hinzu kommt der Energiebedarf zur Be- und/oder Entfeuchtung der Luft.

(Abb. © Howatherm)
Beispiel eines zentralen Dachgeräts: Ab rund 60.0000 m³/h (290 kW) greifen die Anforderungen des GEG an die Gebäudeautomation (Abb. © Howatherm)

§ 65 Begrenzung der elektrischen Leistung

Anlagen und Einrichtungen der Kühl- und Raumlufttechnik müssen so ausgeführt werden, dass bei Auslegungsvolumenstrom der Grenzwert für die spezifische Ventilatorleistung gemäß Kategorie 4 nach DIN EN 16798 Teil 3 „Energetische Bewertung von Gebäuden – Lüftung von Gebäuden: Lüftung von Nichtwohngebäuden – Leistungsanforderungen an Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme“ (2017) nicht überschritten wird. Das betrifft

  • den Einbau einer Klimaanlage, die eine Nennleistung für mehr als 12 kW Kältebedarf hat
  • raumlufttechnische Anlagen mit Zu- und Abluftfunktion, die für einen Volumenstrom der Zuluft von wenigstens 4.000 m³/h ausgelegt sind
  • die Erneuerung eines Zentralgeräts oder Luftkanalsystems einer solchen Anlage

Die aufgenommene elektrische Leistung der gesamten RLT-Anlage wird durch die SFP-Klassen der DIN EN 16798 Teil 3 definiert. Die spezifische Ventilatorleistung (Specific Fan Power) beschreibt die elektrische Leistungsaufnahme, die notwendig ist, um einen Luftvolumenstrom von 1 m³/s zu fördern. Der SFP-Wert ist proportional zum Druckabfall und umgekehrt proportional zum Systemwirkungsgrad ηS, der sich aus der Multiplikation der Einzelwirkungsgrade der verwendeten Komponenten ergibt. Bereits seit der Energieeinsparverordnung (EnEV) 2009 müssen entsprechende RLT-Anlagen eine maximale spezifische Ventilatorleistung von 2.000 W/(m³/s) entsprechend der SFP Klasse 4 (Specific Fan Power) gemäß DIN EN 16798 Teil einhalten.

(Abb. © Kaup)
Klasseneinteilung der spezifischen Leistungsaufnahme SFP (Quelle: DIN EN 16798 Teil 3)

Ergänzende SFP-Zuschläge nach DIN EN 16798 Teil 3, Abschnitt 9.5.2.2, können für HEPA-Filter, Gasfilter sowie für Wärmerückführungsbauteile der Klassen H2 oder H1 nach DIN EN 13053 „Lüftung von Gebäuden – Zentrale raumlufttechnische Geräte – Leistungskenndaten für Geräte, Komponenten und Baueinheiten“ (2020) angerechnet werden, da diese Komponenten nicht zur Standardausstattung von raumlufttechnischen Anlagen zählen.

Zudem soll seit 1. Januar 2023 der zulässige Primärenergiebedarf zu errichtender Gebäude von bisher 75 auf 55 % absinken, so dass die zuvor genannten SFP-Werte um 45 % sinken müssen. Um den Energiebedarf der Raumlufttechnik, insbesondere in Nichtwohngebäuden, für Deutschland abschätzen zu können, muss die Verteilung der installierten RLT-Geräte mit ihren zu fördernden Volumenströmen betrachtet werden. Eine vom Verfasser am Umwelt-Campus Birkenfeld der Hochschule Trier durchgeführte Studie zeigt für RLT-Anlagen in Deutschland folgendes:

Auf Grundlage der Volumenstromverteilung ergibt sich, dass rund 30 % sämtlicher RLT-Anlagen mit Luftvolumenströmen unter 4.000 m³/h, die vor allem in Nichtwohngebäuden installiert werden, nicht vom GEG betroffen sind. Aus der Luftmengenverteilung wird ebenfalls deutlich, dass der mittlere Luftvolumenstrom bei circa 7.400 m³/h liegt, während sich der Median der Wärmearbeiten hin zum rund vierfachen Wert von 28.800 m³/h verschiebt. Die Studie hat auch ergeben, dass die Relevanz der Anlagen unter 4.000 m³/h (30 % sämtlicher Anlagen) bezogen auf den Energiebedarf bei nur 4 % liegt, während 70 % dieser Anlagen eine energetische Relevanz von 96 % besitzen

(Abb. © Howatherm)
RLT-Anlage bis 4.000 m³/h Luftvolumenstrom fallen nicht unter das GEG. Hier das Beispiel einer zentralen Anlage in einem Krankenhaus. (Abb. © Howatherm)

Möglichkeiten zur Reduzierung des Energiebedarfs

Wird der Elektroenergieverbrauch der Anlagen gesenkt, kann ein enormes Einsparpotenzial im Bereich der Raumlufttechnik genutzt werden. Grundsätzlich bestimmen drei Faktoren den Elektroenergiebedarf, basierend auf der elektrischen Leistungsaufnahme (Pm) einer RLT-Anlage:
Pm = qV • Δp / ηS  mit:
qV: geförderter Volumenstrom in m³/s
Δp: Gesamtdruckdifferenz in Pa
ηS: Systemwirkungsgrad des Ventilatorantriebssystems
Aus der Beziehung dieser Faktoren zueinander wird ersichtlich, dass prinzipiell drei Möglichkeiten bestehen, den Elektroenergiebedarf einer Anlage zu beeinflussen:

  • Den Luftvolumenstrom reduzieren. Dieser wird jedoch im Wesentlichen durch die Anwendung selbst bestimmt.
  • Den vom Ventilator zu überwindenden Differenzdruck in der Anlage reduzieren. Dieser wird durch die installierten Komponenten des RLT-Gerätes und durch das angeschlossene Luftleitungsnetz bestimmt. Mit einer Reduktion der Luftgeschwindigkeit um nur 10 % kann der zu überwindende Differenzdruck um rund 20 % gesenkt werden. Die elektrische Leistungsaufnahme sinkt sogar um rund 33 %.
  • Den Systemwirkungsgrad (ηS) des Ventilatorantriebssystems erhöhen.

Dieser wird durch vier Einzelwirkungsgrade von Ventilator, Motor, Antrieb und Drehzahlregelung bestimmt. Mit der Drehzahlregelung des Ventilators kann der Energiebedarf am stärksten beeinflusst werden, da sich die Leistungsaufnahme mit der dritten Potenz der Drehzahl, beziehungsweise zum Volumenstrom ändert (vergleiche § 67 weiter unten im Text).

(Abb. © Howatherm)
Direktgetriebener freilaufender Ventilator (Abb. © Howatherm)

§ 66 Regelung der Be- und Entfeuchtung

Soweit eine Anlage nach § 65 GEG dazu bestimmt ist, die Feuchte der Raumluft unmittelbar zu verändern, muss diese Anlage beim Einbau in ein Gebäude und bei Erneuerung des Zentralgerätes einer solchen Anlage

  • mit einer selbsttätig wirkenden Regelungseinrichtung ausgestattet werden,
  • bei der getrennte Sollwerte für die Be- und die Entfeuchtung eingestellt werden können
  • und als Führungsgröße mindestens die direkt gemessene Zu- oder Abluftfeuchte dient.

Sind solche Einrichtungen in einer bestehenden Anlage nicht vorhanden, muss der Betreiber sie innerhalb von sechs Monaten nach Ablauf einer Frist von ebenfalls sechs Monaten gemäß § 76 GEG nachrüsten.

Der Energiebedarf zur Konditionierung der Zuluft entspricht der Enthalpieänderung der Luftzustände. Wird beispielsweise Luft mit 20 °C um 3 g/kg be- oder entfeuchtet, beträgt der latente Energieinhalt 7,6 kJ/kg, der einer sensiblen Temperaturänderung (Heizen oder Kühlen) von rund 7,5 K entspricht. An diesem Beispiel wird deutlich, dass die Be- und/oder Entfeuchtung der Luft energieintensiv ist. Daher sind die diesbezüglichen Anforderungen des GEG zu begrüßen

§ 67 Regelung der Volumenströme

Beim Einbau einer Anlage nach § 65 GEG und bei der Erneuerung eines Zentralgerätes oder eines Luftkanalsystems einer solchen Anlage muss diese ausgestattet werden

  • mit einer selbsttätigen Regelung der Volumenströme in Abhängigkeit von den thermischen und stofflichen Lasten oder
  • mit einer Einrichtung zur Einstellung der Volumenströme in Abhängigkeit von der Zeit, wenn der Zuluftvolumenstrom dieser Anlage größer ist als 9 m³/h je Quadratmeter versorgter Nettogrundfläche des Nichtwohngebäudes.

Räume sollen unstreitig mit gesunder Außenluft versorgt werden. In vielen Gebäuden sind dafür mechanische RLT-Anlagen im Einsatz, die CO2-belastete Raumluft durch Außenluft ersetzen. Zudem werden durch die Verdünnung der Luft Keime und Schadstoffe im Raum reduziert und der CO2-Anteil begrenzt. Moderne RLT-Anlagen werden daher häufig über den CO2-Anteil in der Raumluft geregelt, da er als Maß für die Personenbelegung eines Raumes und zur Beurteilung der Raumluftqualität gilt. Eine CO2-Konzentration bis 1.000 ppm wird als noch akzeptabel angesehen. Daher ist es sinnvoll, die Anlagen nicht konstant, sondern bedarfsgerecht zu betreiben. Mit sinkender Drehzahl reduziert sich die Leistungsaufnahme der Antriebe mit der dritten Potenz. Werden zum Beispiel im Teillastbetrieb nur 50 % des ausgelegten Volumenstroms benötigt, sinkt die elektrische Leistungsaufnahme bei konstanter Anlagenkennlinie auf rund 13 % der ursprünglichen Nennleistung.

Inzwischen haben sich daher variable Drehzahlregelsysteme durchgesetzt, die Anlagen bedarfsgerecht betreiben können. Der große Nutzen hebt den Nachteil der von rund 4 % Wirkungsgradverlusten der Drehzahlregelung bei Weitem auf. Mit integrierten Drehzahlregelsystemen besteht auch die Möglichkeit, den Volumenstrom (Istwert) in der Einlaufdüse des Ventilators integriert zu messen, darzustellen und zur Regelung zu verwenden.

§ 68 Wärmerückgewinnung

Wird eine Anlage nach § 65 GEG in Gebäude eingebaut oder ein Zentralgerät einer solchen Anlage erneuert, muss diese mit einer Einrichtung zur Wärmerückgewinnung (WRG) ausgestattet sein. Davon ausgenommen sind Anwendungen, bei denen die rückgewonnene Wärme nicht genutzt werden kann oder das Zu- und das Abluftsystem räumlich getrennt sind. Die Einrichtung zur Wärmerückgewinnung muss mindestens der Klassifizierung H3 gemäß DIN EN 13053 entsprechen. Für die Betriebsstundenzahl sind die Nutzungsrandbedingungen nach DIN V 18599 Teil 10 „Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung: Nutzungsrandbedingungen, Klimadaten“ (2018) und für den Luftvolumenstrom der Außenluftvolumenstrom maßgebend.

Effizienz der Wärmerückgewinnung

Güte und Effizienz einer WRG werden maßgeblich durch den Temperaturänderungsgrad, auch als Rückwärmzahl (Φ) bezeichnet, bestimmt. Neben dem Temperaturänderungsgrad wird die Effizienz einer WRG durch die Druckverluste auf den Medienseiten bestimmt. Deshalb spielen die medienseitigen Widerstände der WRG eine große Rolle, insbesondere auf der Zu- und der Abluftseite. Die zur Nutzung der WRG erforderlichen Hilfsenergien werden im Wesentlichen durch die elektrischen Antriebe bestimmt, zum Beispiel Ventilatoren, die zur Bereitstellung von Hilfsenergien mit mehr Leistung betrieben werden müssen, und weitere Verbraucher wie Pumpen. Reglementiert wird die WRG durch den Temperaturänderungsgrad. Neben dem Nutzen in Form von zurückgewonnener Wärme ist die elektrische Energie zu betrachten, die aufgewendet wird, um die Strömungswiderstände zu überwinden, die durch den apparativen Aufwand entstehen.

Seit der Einführung der Energieeinsparverordnung (EnEV 2009) erfolgt die Klassifizierung der Wärmerückgewinnung nach DIN EN 13053 (2007). Die EnEV (und in deren Folge das GEG) bezieht sich auch heute noch auf die DIN EN 13053 aus 2007, da in den späteren Fassungen der Norm die WRG-Festlegungen verworfen und an deren Stelle der energetische Wirkungsgrad ηWRG eingeführt wurde. Die alte Fassung wurde vollständig zurückgezogen. Da Wirtschaftlichkeitskriterien in die Folgenorm nicht mehr eingeflossen sind, nimmt das GEG aber immer noch Bezug auf die Norm von 2007.

Die Nutzungsstunden ergeben sich aus den jeweiligen Anwendungen der DIN V 18599 Teil 10. Für Büros werden beispielsweise 2.750 h/a angesetzt, für eine Schule 1.400 h/a und für ein Rechenzentrum 8.760 h/a.

Studien des Umwelt-Campus Birkenfeld zeigen die Entwicklung des mittleren Temperaturänderungsgrades (Φ) der Wärmerückgewinnung von 2006 bis 2021 für Deutschland. Der mittlere Temperaturänderungsgrad ist in dieser Zeit zunächst stetig von 60,0 % in 2006 auf 73,3 % in 2017 gestiegen. Von 2017 bis 2021 war dagegen erstmals eine Stagnation des Temperaturänderungsgrads zu erkennen. Laut den jüngsten verfügbaren Zahlen aus dem Jahr 2021 liegt Φ bei 73,3 %. Die Studie hat weiter gezeigt, dass die durch Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen zurückgewonnene Wärmemenge seit 2011 etwa verdoppelt werden konnte. Dies gilt auch für die C2-Einsparungen, die von 4,14 Mio. t/a im Jahr 2011 auf 8,53 Mio. t/a im Jahr 2021 ebenfalls etwa verdoppelt wurden.

(Anm. d. Red.: siehe hierzu auch den Beitrag „Arbeitszahl 22 – Effizienz von WRG-Systemen in zentralen RLT-Geräten“ in cci Zeitung 14/2022. Zum Archiv)

(Abb. © Kaup)
Kumulierte Werte zum Nutzen der WRG (thermische Arbeit) und zum Aufwand (elektrische Arbeit) für die Jahre 2006 bis 2021 (Abb. © Kaup)

Für das Jahr 2030 kann eine jährliche Wärmebereitstellung durch die WRG von rund 46 TWh in Nichtwohngebäuden (NWG) geschätzt werden. Der elektrische Aufwand für den Betrieb dieser WRG-Einrichtungen beträgt dann rund 2,2 TWh/a. Daraus ergibt sich für die WRG eine durchschnittliche Arbeitszahl von knapp 21. Die primärenergetische Einsparung liegt damit voraussichtlich bei 46,7 TWh/a und die jährliche CO2-Einsparung bei rund 12,7 Mio. t.

§ 71a Gebäudeautomation

Ein Nichtwohngebäude mit einer Nennleistung der Lüftungsanlage von mehr als 290 kW muss bis zum 31. Dezember 2024 mit einem System für die Gebäudeautomatisierung und -steuerung nach Maßgabe der Absätze 2 bis 4 ausgerüstet werden. Satz 1 ist auch für ein Nichtwohngebäude mit einer Nennleistung für eine Klimaanlage oder eine kombinierte Klima- und Lüftungsanlage von mehr als 290 kW anzuwenden. Zur Erfüllung der Anforderung nach dem ersten Absatz muss ein Nichtwohngebäude mit digitaler Energieüberwachungstechnik ausgestattet werden, mittels derer:

  1. eine kontinuierliche Überwachung, Protokollierung und Analyse der Verbräuche aller Hauptenergieträger sowie aller gebäudetechnischen Systeme durchgeführt werden kann,
  2. die erhobenen Daten über eine gängige und frei konfigurierbare Schnittstelle zugänglich gemacht werden, sodass Auswertungen firmen- und herstellerunabhängig erfolgen können,
  3. Anforderungswerte in Bezug auf die Energieeffizienz des Gebäudes aufgestellt werden können,
  4. Effizienzverluste von gebäudetechnischen Systemen erkannt werden können und
  5. die für die Einrichtung oder das gebäudetechnische Management zuständige Person über mögliche Verbesserungen der Energieeffizienz informiert werden kann.
(Abb. © Howatherm)
Monitoring einer RLT-Anlage mit WRG (Abb. © Howatherm)

Anhand des §71a GEG wird deutlich, welchen Einfluss künftig die Gebäudeautomation haben wird. Im eigenen Interesse sollten Betreiber auch daran interessiert sein, laufend über den Zustand ihrer Anlagen informiert zu werden. Zumal Fehlfunktionen erhebliche Energieverluste erzeugen können. Ein laufendes Monitoring der Anlagen ist sinnvoll, da Fehlfunktionen sofort auffallen und rechtzeitig behoben werden können.

Um die Vorgaben des GEG zu erfüllen, wird die energieeffiziente Regelung von RLT-Anlagen zunehmend komplexer. RLT-Geräte sollten mit eigenen Reglern ausgestattet werden, da der Hersteller über das erforderliche Know-how der Verfahrenstechnik verfügt. Weiterhin müssen sich diese Regelsysteme durch offene, standardisierte Schnittstellen möglichst abstimmungsfrei in das Automationssystem des Gesamtgebäudes einfügen lassen. Hier könnte BACnet in Kombination mit der BACtwin-Spezifikation ein zielführender Weg sein.

§ 74 Betreiberpflichten (Energetische Inspektion)

Betreiber einer in ein Gebäude eingebauten Klimaanlage oder kombinierten Klima- und Lüftungsanlage mit einer Nennleistung für den Kältebedarf von mehr als 12 kW haben innerhalb der in § 76 GEG genannten Zeiträume energetische Inspektionen dieser Anlagen durch eine berechtigte Person im Sinne des § 77 GEG durchführen zu lassen. Ein Betreiber kann diese Pflicht durch eine stichprobenweise Inspektion nach Maßgabe von § 75 GEG erfüllen, wenn er mehr als zehn Klimaanlagen oder kombinierte Klima- und Lüftungsanlagen betreibt, die in vergleichbare Nichtwohngebäude eingebaut und nach Anlagentyp und Leistung gleichartig sind. Im Falle eines Nichtwohngebäudes entfällt diese Pflicht, wenn das Gebäude mit einem System für die Gebäudeautomation und Gebäuderegelung ausgestattet ist. Auch hier wird deutlich, wie wichtig die Gebäudeautomation zukünftig sein wird, da mit ihr die Betreiberpflichten erfüllt werden können.

Nach § 75 GEG (Durchführung und Umfang der Inspektion) umfasst die Inspektion einer Klimaanlage oder einer kombinierten Klima- und Lüftungsanlage Maßnahmen zur Prüfung der Komponenten, die den Wirkungsgrad der Anlage beeinflussen, sowie der Anlagendimensionierung im Verhältnis zum Kühlbedarf des Gebäudes. § 76 GEG regelt, dass die Inspektion erstmals im zehnten Jahr nach der Inbetriebnahme erfolgen soll. Danach ist die Anlage wiederkehrend spätestens alle zehn Jahre einer Inspektion zu unterziehen. Eine Inspektion darf nur von einer fachkundigen Person durchgeführt werden.

Fazit

Grundlegende Änderungen finden sich im GEG hauptsächlich in der Verpflichtung zur Nutzung der Gebäudeautomation. Mit § 71a wurde erstmals die Gebäudeautomation als State of the Art gefordert. Dies hat insbesondere Auswirkungen auf die Gestaltung der Regelung der RLT-Anlagen sowie die Inspektionsverpflichtung des Betreibers nach § 74. Ohne Gebäudeautomation ergeben sich hohe Pflichten zur Inspektion von Klima- und Kühlanlagen an den Betreiber, die alle zehn Jahre zu erfüllen sind. Aufgrund dieses langen Zeitraums besteht für Betreiber zudem die Gefahr, dass Anlagen über eine lange Zeit nicht die erwartete Energieeffizienz haben. Mit der Fehlfunktion einer Anlage werden hohe Kosten verursacht, die meist zu spät erkannt werden. Insoweit ist es Betreibern anzuraten, frühzeitig Gebäudeautomation und Monitoring einzusetzen, damit die Anlagen laufend überwacht und Fehlfunktionen in Echtzeit aufgezeigt werden.

(Abb. © Kaup)

Autor: *Prof. Christoph Kaup ist geschäftsführender Gesellschafter der Howatherm Klimatechnik GmbH, Brücken, und Honorarprofessor am Umweltcampus Birkenfeld für Energieeffizienz und Wärmerückgewinnung (Hochschule Trier). Zudem ist er Leiter des Technikums Raumlufttechnik, Vorsitzender des Vorstands des Fachverbands Gebäude Klima (FGK), Ludwigsburg, Mitglied in verschiedenen Normungsgremien und Richtlinienausschüssen sowie Mitglied im Arbeitskreis der Dozenten für Klimatechnik. (Abb. © Kaup)

Rückblick und Ausblick: Teile 1, 3 und 4 der Serie über die technische Umsetzung der GEG-Anforderungen an die Gebäudeautomation

Welche konkreten Anforderungen sich aus dem GEG für die einzelnen Gewerke ergeben, wurde/wird mit Unterstützung verschiedener Experten der betroffenen Gewerke von Mai bis August 2024 aufgezeigt:

  • Teil 1: Allgemeine technische Anforderungen (siehe cci273251)

    Autor: Christian Wild, Geschäftsführer der Iconag Leittechnik GmbH, Idar-Oberstein
  • Teil 3: Anforderungen an das Gewerk Heizung und Warmwasserversorgung
    Autor: Prof. Michael Krödel, Institutsleiter IGT – Institut für Gebäudetechnologie GmbH, Neubiberg
  • Teil 4: Anforderungen an das Energiemanagement und das Gebäudeautomationsmanagement
    Autoren: Christian Wild (s.u.) und Christoph Zeis, Geschäftsführer Energiedienstleistungsgesellschaft Rheinhessen-Nahe GmbH, Nieder-Olm

cci275128

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