AERA

Arbeitsgruppe Energie Rationell Anwenden
an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Projekte

Im Rahmen von Diplomarbeiten und weiteren Studien wurden bzw. werden die folgenden Projekte durchgeführt:
  1. Sromverbrauch am Institut für Kernphysik
  2. Wärmebedarf am Institut für Kernphysik
  3. Bedarfsgerechte Lüftung von Hörsälen
  4. Stromverbrauch von EDV-Geräten und Sparpotentiale
  5. Experimentelle Bestimmung von Lüftungswärmeverlusten
  6. Stromverbrauch eines Gymnasiums mit Turnhalle
  7. Stromverbrauch eines Verwaltungsgebäudes
  8. Stromverbrauch einer Klinik
  9. Lüftungwärmeverluste im Sozialministerium
  10. Stromverbrauch in einem ständig besetzten Verwaltungsgebäude
  11. Stromverbrauch eines Wohnheims
  12. Stromverbrauch einer Sporthalle ohne Tageslichteinfall
  13. Stromverbrauch eines Gemeindezentrums
  14. Erschließung von Einsparpotentialen im EDV-Bereich
  15. Ermittlung der Wirtschaftlichkeit von investiven Maßnahmen im Bereich der Hörsaallüftung
  16. Kontrollierte Lüftung in einem Verwaltungsgebäude

Stromverbrauch am Institut für Kernphysik

Bei diesem Projekt galt es herauszufinden, wie sich der Stromverbrauch am Beispiel eines physikalischen Instituts nach verschiedenen Anwendungen (Rechner, Beleuchtung, Klimaanlagen, Lüftung, etc.) aufteilt. Dazu wurden Leistungsgänge mit hoher zeitlicher Auflösung (bis zu einer Minute herunter) und mit genauer räumlicher Auflösung (typisch jeweils halbe Stockwerke) über einen längeren Zeitraum von mehr als einem Jahr aufgenommen. In der Arbeit (vgl. AERA-Text Nr. 1) finden sich Details über Grundlast, variable Last, Spitzenlast, Aufschlüsselung des Stromverbrauchs, Untersuchungen von Einzelverbrauchern sowie eine Bewertung des Leuchtenaustausches im Rahmen des VEBA-Progamms. Ein umfangreicher Maßnahmenkatalog faßt die zu erwartenden Sparpotentiale zusammen (vgl. AERA-Text Nr. 5).

Wärmebedarf am Institut für Kernpyhsik

Mit Hilfe des thermischen Gebäudesimulationsprogramms TRNSYS läßt sich der Bedarf an Heizwärme sowie eine genaue Wärmebilanz (die verschiedenen Quellen und Verluste) berechnen. Am Beispiel eines Wetterdatensatzes für Nordeutschland im Jahre 1991 wurde der Heizwärmebedarf des Instituts für eine Innentemperatur in den Arbeitsräumen von 20 Grad Celsius simuliert und mit den tatsächlichen Verbrauchswerten (Monatsmittelwerte) verglichen. Ebenfalls durch Simulation konnten die verschiedenen Einsparpotentiale durch bauliche Sanierungsmaßnahmen sowie durch Verhaltensmaßnahmen, insbesondere durch Änderungen des Lüftungsverhaltens bestimmt werden (vgl. AERA-Text Nr. 3).

Bedarfsgerechte Lüftung von Hörsälen

Es wurde ein Lüftungsmodell entwickelt, mit dem die erforderliche Frischluft- und Wärmezufuhr für Hörsäle in Abhängigkeit von Hörsaalgröße, variabler Hörerzahl und Eigenschaften des Lüftungssystems quantitativ beschrieben werden kann (vgl. AERA-Text Nr. 8). Daraus ergeben sich Empfehlungen für das weitere Vorgehen zur Energieeinsparung mittels einer bedarfsgerechten Regelung. Im einzelnen wird die Lösung von dem verwendeten Lüftungssystem abhängen. In der Regel erweisen sich Ventilatoren mit variabler Drehzahl als günstigste Lösung. Das Lüftungsmodell konnte an zwei Beispielen verifiziert werden:

Stromverbrauch von EDV-Geräten und Sparpotentiale

In diesem Projekt (vgl. AERA-Text Nr. 7 und Nr. 13) wurde der Stromverbrauchs für EDV-Geräte wie Rechner, PCs, Drucker, Telefax etc. an drei verschiedenen Beispielen der Universität näher erfaßt und analysiert: Diese Bereiche weisen jeweils eine unterschiedliche Ausstattung mit EDV-Geräten und ein typisches Nutzerverhalten auf. Naturwissenschaftliche Institute sind meist mit einem hohen Anteil an vernetzten Rechnern, Workstations und zentralen Bereichsrechnern ausgestattet. Bei dem PC-Labor gibt es reguläre Öffnungszeiten und eine zuständige Person, die abends alle Monitore und Terminals abschaltet. Im 6. Stock des Uni-Hochhauses findet man einen typischen Verwaltungsbetrieb, der durch einem hohen Anteil an dezentralen PCs und einem geringen Anteil an vernetzten Rechnern bzw. Zentralrechnern gekennzeichnet ist.

Mit einem an der Universität vorhandenen Meßsystem wurden genaue Leistungsgänge aufgenommen. Weiterhin wurden Erhebungen zum Gerätebestand und Messungen an Einzelgeräten vorgenommen. Im zweiten Schritt wurden Maßnahmen (Technische Maßnahmen, Verhaltensänderungen, Geräteauswahl bei Neuanschaffungen) für die einzelnen Typen von Geräten erarbeitet und die Spareffekte abgeschätzt. Zusätzlich wurden Messungen an überschaubaren Einzelbereichen (z. B. ein einzelner Flur im Institut für Kernphysik) vorgenommen und Hochrechnungen auf das Institut und die gesamte Universität aufgestellt.

Experimentelle Bestimmung von Lüftungswärmeverlusten

In diesem Projekt, das im Rahmen einer Diplomarbeit behandelt wurde, wurden die Lüftungswärmeverluste von zwei typischen Laborräumen meßtechnisch erfaßt. Diese beiden Räume sind benachbart, gleich groß und unterliegen nahezu den gleichen äußeren Bedingungen. Ziel ist hier die Messung der Energieverluste durch das Lüftungsverhalten, d. h. insbesondere durch das Offenlassen eines der oberen Kippfenster. Da hier differentiell in den beiden gleichartigen Räumen gemessen wird, lassen sich die Normierungsprobleme, die sich bei sequentiellen Messungen ergeben, weitgehend umgehen. Der Wärmeenergiebedarf wurde während der Messungen elektrisch bereitgestellt (der leichteren Messung wegen). Parallel dazu wurde die Luftwechselrate bei unterschiedlichen Witterungsbedingungrn in den beiden Räumen gemessen. Dazu wurde ein Verfahren entwickelt, in dem aus dem Abklingverhalten des CO2-Gehaltes der Raumluft (in regelmäßigen Zeitabständen wird CO2 injiziert) der Luftwechsel ermittelt wird. Das Verfahren liefert quantitative Ergebnisse zu den Fragen bezüglich der Lüftungswärmeverluste:

Stromverbrauch eines Gymnasiums mit Turnhalle

Als Beispiel für eine typische Schule mit einer Turnhalle, die u. a. auch für den Vereinssport genutzt wird, laufen seit Mai 1997 Messungen am Ernst-Barlach-Gymnasium in Kiel (vgl. AERA-Text Nr. 17). Hier werden jeweils über einige Wochen Lastgänge im Sommer und im Winter aufgenommen und mit statistischen Methoden analysiert. Von seiten der Stadt Kiel und von seiten der Schule besteht ein Interesse an Energieeinsparungen. Das Ernst-Barlach-Gymnasium ist am Modellversuch 50:50 beteiligt. Interessant ist bei dieser Schule insbesondere auch die Turnhalle (Halle mit Tageslichteinfall), die rund die Hälfte des Stroms verbraucht. Die vorgeschlagenen Maßnahmen zeigen ein Sparpotential zwischen 25 und 35 Prozent. Der Stromverbrauch der Turnhalle soll durch eine neu eingebaute Schaltung deutlich reduziert werden. In einem weiteren Schritt sollen die Maßnahmen zusammen mit der Schule und der Energieleitstelle der Stadt Kiel umgesetzt und mit weiteren Lastgangmessungen evaluiert werden.

Stromverbrauch eines Verwaltungsgebäudes

Im Zeitraum von September bis November 1997 haben wir im schleswig-holsteinischen Finanzministeriums Lastgangmessungen durchgeführt (vgl. AERA-Text Nr. 18). Dieses Gebäde steht als Beispiel für einen typischen Verwaltungsbetrieb. Trotz eines weitgehenden Austausches der Beleuchtung durch energiesparende Lampen ist hier der Verbrauch in den letzten Jahren angestiegen. Der Grund ist die zunehmende Austattung mit EDV-Geräten. Diese verbrauchen nicht nur den größten Anteil des Stroms, sondern tragen auch zur Grundlast bei, die hier auch nachts und an Wochenenden auffällig hoch ist. Durch eine Anzahl von Maßnahmen könnte der Stromverbrauch um 25 bis 40 Prozent gesenkt werden.

Stromverbrauch einer Klinik

Als Beispiel für eine Klinik wurde der Stromverbrauch der HNO-Klinik der Universität Kiel anhand von Lastgangmessungen analysiert (vgl. AERA-Text Nr. 20). Hier findet man eine umfangreiche Austtattung mit Haustechnik (Klima- und Lüftungsanlagen) sowie eine Anzahl klinikspezifischer Geräte. Die Messungen werden hier mit drei Stromzangenmeßsystemen durchgeführt, die eine flexible Abtastung interessanter Bereiche in der Stromverteilung gestatten. Die Messungen zeigten, daß hier für die Lüftung rund zwei Drittel des Stroms verbraucht wird. Durch eine optimierte Regelung der Lüftungsanlagen wird hier ein recht erhebliches Sparpotential erwartet. Obwohl bei der Optimierung der Lüftung neben elektrischem Strom auch Wärme gespart werden kann, sind die finanziellen Einsparungen beim Strom weit erheblicher.

Lüftungwärmeverluste im Sozialministerium

Im Sozialministerium stellt sich die Heizung bei geöffneten Fenstern automatisch ab. An diesem Beispiel soll quantitativ untersucht werden, inwieweit sich durch eine solche Fenster-Thermostat-Steuerung Energieeinsparungen erzielen lasssen (vgl. AERA-Text Nr. 21). Messungen und Theorie haben gezeigt, daß bei Kippstellung der Fenster die Raumlufttemperatur trotz geringer Außenlufttemperaturen nicht merklich absinkt. Das liegt darin begründet, daß die Wärmeströme innerhalb des Gebäudes aufgrund geringer thermischer Widerstände schon bei geringen Temperaturdifferenzen sehr groß werden. Somit wird die herausgelüftete Wärme relativ schnell durch Wärme aus den Nachbarräumen kompensiert. Außerdem sind die thermischen Beiträge der solaren und internen Lasten während der Dienstzeit so groß, daß überschüssige Wärme zumindest während der Übergangsjahreszeiten durch intensiveres Lüften abgeführt werden muß. Da die Fenster außerhalb der Dienstzeit (nachts und an Wochenenden) grundsätzlich geschlossen sind (Reinigungsdienst schließt die Fenster am Abend), kann davon ausgegangen werden, daß die Fenster-Thermostat-Steuerung hier keinen oder nur einen sehr geringen Beitrag zu Energieeinsparungen leistet. Entscheidend für den geringen Wärmeverbrauch dieses Gebäudes ist neben der hohen Wärmedämmung die Tatsache, daß außerhalb der Dienstzeit alle Fenster geschlossen sind. Offenstehende Fenster in der Nacht würden zu weit erheblicheren Lüftungswärmeverlusten führen, da die Außentemperaturen niedriger sind und solare wie interne Lasten fehlen bzw. geringer sind.

Stromverbrauch in einem ständig besetzten Verwaltungsgebäude

Als Beispiel für ein ständig besetztes Verwaltungsgebäude sollen bei einem Polizeirevier in Kiel Lastgänge gemessen werden. Dabei sollen die gleichen Methoden wie bei den bisherigen Projekten zur Ermittlung von Spitzenlast, Grundlast und variabler Last sowie von Sparpotentialen angewendet werden.

Stromverbrauch eines Wohnheims

In zwei Personalwohnheimen im Bereich des Uni-Klinikums sind Lastgangmessungen angelaufen. Eine erste Auswertung der Messungen zeigt, daß rund 60% des Stromverbrauchs in einem Wohnheim auf die Grundlast entfällt. Dieser ständige, rund um die Uhr auftretende Stromverbrauch, ist neben den Kühlschränken insbesondere auf eine Vielzahl von Standby-Verbrauchern, wie Fernseher, Radios, CD-Player etc. zurückzuführen.

Stromverbrauch einer Sporthalle ohne Tageslichteinfall

In einem vorhergegenden Projekt (am Ernst-Barlach-Gymnasium) wurde der Stromverbrauch einer Sporthalle mit Tageslichteinfall untersucht. Anders sieht der Stromverbrauch in einer Halle aus, wenn kein Tageslicht einfällt. In diesem Fall kann durch eine Sanierung der Beleuchtung oft zu erheblichen Sparpotentialen führen, da die Nutzungszeit der Beleuchtung viel größer ist. In dieser Studie soll der Stromverbrauch der Wriedt-Halle in Kiel gemessen werden. Die Beleuchtung in dieser Halle ist etwa 20 Jahre alt. Zudem verfügt die Halle über eine Lüftungsanlage, deren Stromverbrauch durch eine CO2-abhängige Regelung deutlich reduziert werden könnte.

Stromverbrauch eines Gemeindezentrums

Im Rahmen dieser Studie soll das Gemeindezentrum Altenholz analysiert werden. Zu diesem Zentrum gehören eine Kirche, ein Kindergarten, das Kirchenbüro sowie einige Wohnungen. Zudem verfügt die Gemeinde über eine Photovoltaik-Anlage, die einen Teil des Strombedarfs deckt.

Erschließung von Einsparpotentialen im EDV-Bereich

Grundlage sind die bisherigen Untersuchungen zu Stromverbrauch und Sparpotentialen bei EDV-Geräten und die sich daran anschließenden Empfehlungen. Bei der Umsetzung der Maßnahmen, zunächst im Bereich der CAU Kiel sollte in mehreren getrennten Schritten vorgegangen werden:

a) Umsetzung einfacher technischer Maßnahmen, zum Beispiel die Aktivierung der Sparmoden bei heute in Betrieb befindlichen PCs und Monitoren (Power-Management, Suspend-Modus). Gespräche mit Lieferfirmen und Nutzern haben gezeigt, daß einerseits grundsätzliche Bedenken gegen häufigeres Abschalten bestehen, andererseits die technische Umsetzung schwierig ist wegen der bekannten nutzerunfreundlichen Betriebsanleitungen von Geräten. Es ist zu untersuchen, in welcher Weise die technische Realisierung erfolgen kann, und zwar ohne Nachteile für die Nutzer.

b) Der Schritt a) sollte als Vorbereitung für ein energiebewußteres Nutzerverhalten angesehen werden. Hier ist gemeinsam mit dem EDV-Referat der CAU an die Propagierung der Ergebnisse über geeignete Medien zu denken (Mitteilungen des Rechenzentrums, Internet, Informationen über die regelmäßig erscheinenden Texte).

c) Empfehlungen für die (zentrale) Beschaffung von Geräten mit sparsamem Energieverbrauch. Hier könnte man sich an die Vorgehensweise in anderen Bundesländern anlehnen (vgl. die Entwicklung eines Energie-Labels in Hessen).

Ermittlung der Wirtschaftlichkeit von investiven Maßnahmen im Bereich der Hörsaallüftung

Grundlage ist ein von AERA entwickeltes Lüftungsmodell zur Ermittlung von Frischluft- und Wärmebedarf. Für einen Modell-Hörsaal wurden hierauf basierend theoretische Einsparpotentiale im Wärme- und Strombereich ermittelt (vgl. Bedarfsgerechte Lüftung von Hörsälen). Es hat sich gezeigt, daß für den zu untersuchenden Hörsaal eine Messung des CO2-Verlaufs während des eigentlichen Vorlesungsbetriebes durchgeführt werden muß, um daraus die Eigenschaften des jeweiligen Lüftungssystems zu ermitteln. Dieses Verfahren wurde durchgeführt fü den Große Höraal im Physikzentrum, für zwei zusammenhängende Hörsäle in der Technischen Fakultät für zwei Hörsäle im Bereich der Chemie und weitere Hörsäle in der Geologie, Geographie und Physiopathologie. Gegenwärtig wird mit der Betriebsgruppe der Universität darüber beraten, welches im Einzelfall das wirtschaftlichste Verfahren zu einer Realisierung der Einsparpotentiale ist: Zurückschalten auf geringere Leistungsstufe; Regelung einer Mischluftklappe oder des Ventilatorbetriebs (Ein/Aus) über einen CO2-Sensor; Ersatz vorhandener Ventilatoren durch solche mit regelbarer Drehzahl; Nachlaufautomatik. Für die Bewertung der Effektivität und Amortisationszeit verschiedener Maßnahmen spielt für jeden Hörsaal das Nutzungsprofil eine wichtige Rolle.

Kontrollierte Lüftung in Gebäuden

Hier sollten keine weiteren Messungen angestellt werden. Vielmehr geht es um eine Gegenüberstellung der kontrollierten Be- und Entlüftung mit dem bereits im Sozialministerium untersuchten Verfahren der Steuerung von Thermostatventilen über Fensterkontakte in Kombination mit der Stoßlüftung. Diese Studie würde basieren auf der Anwendung des Lüftungsmodells und den bisher durchgeführten Untersuchungen zur Lüftung, außerdem sollte mit Fachleuten aus dem Bereich der Niedrigenergiebauweise diskutiert werden. Es könnte sich als sinnvoll erweisen, zusätzlich eine Erfassung möglicher Schwachstellen mit thermographischen Messungen vorzunehmen.

Stand: Juni 1999

reeder@physik.uni-kiel.de

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