Die erzielbare Energieeffizienz von Gebäuden wird in der Hauptsache während der Planung und Bauausführung durch den Gebäudeentwurf und die Auswahl der Bauteilqualitäten bestimmt. Der spätere Verbrauch wird auch durch die tatsächliche Nutzung beeinflusst. Bei Nichtwohngebäuden nehmen Regelungsparameter in relevantem Umfang Einfluss (z.B. Betriebszeiten, Vorlauftemperaturen, Luftmengen/Balance der Lüftungssysteme). Die Gebäudeautomation bietet eine Chance den Betrieb energetisch zu optimieren. Allerdings können geeignete Regelgrößen und -strategien für typische Passivhaus-Nichtwohngebäude von den herkömmlichen Herangehensweisen abweichen. Fehlfunktionen sowie unzweckmäßige Betriebsparameter anhand von Verbrauchskontrollen zu identifizieren ist die Aufgabe eines technischen Monitorings, das für eine systematische Inbetriebnahme und Betriebsoptimierung empfohlen wird. Nicht zuletzt sollte die Perspektive der Nutzenden bereits in der Planung stets mit bedacht werden, was das technische Betriebspersonal ausdrücklich einschließt.

Für den Betrieb üblicher Nichtwohngebäude ist die Automation wichtiger Funktionen eine Notwendigkeit, ohne die ein ökonomischer Betrieb nicht zu leisten ist. Richtig konzipiert und ausgeführt, kann auch der energieeffiziente, optimierte Betrieb des Gebäudes gesichert werden. Hierzu zählt auch die Möglichkeit einer breiten Datenerfassung zur systematischen Betriebsüberwachung.

Abseits dieser idealen Vorstellungen sind die realen Projekterfahrungen oftmals ernüchternd. Die Funktionen der Gebäudeautomation sind nicht immer befriedigend und gerade in Passivhäusern oft nicht an die Erfordernisse eines energieeffizienten Betriebs angepasst. Im Bereich der Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung besteht beispielsweise geradezu ein Konflikt mit althergebrachten Ansätzen. Die weit verbreitete Bypass-Regelung hin zu einer vorgegebenen Zulufttemperatur von z.B. 20 °C, unabhängig von den übrigen Randbedingungen im Gebäude und der Jahreszeit, führt zu unnötigen Lüftungsverlusten an milden Wintertagen. Ein balancierter Betrieb und die Einhaltung der geplanten Betriebszeiten sind für die Gesamt-Effizienz zentral, werden aber nicht immer erfolgreich realisiert. Auch ungewollte sommerliche Beheizung und erhöhte Systemverluste durch schlecht angepasste Vorlauftemperaturen sind in vielen Monitorings festgestellt worden.

Ein häufiger Reibungspunkt mit den Nutzenden wie auch mit den Anforderungen eines effizienten Betriebs ist die Regelung von Verschattungssystemen, wenn diese ohne Rücksicht auf die Jahreszeit und individuelle Präferenzen betrieben werden.

Eine quantitative Betriebsdaten-Auswertung wird in vielen Fällen durch kaum bekannte und in der Regel deutlich zu große Messunsicherheit der eingesetzten Sensoren erschwert. Selbst die Regelung kann in einzelnen Fällen nicht zielgenau arbeiten, insbesondere in Niedertemperatursystemen mit Betonkerntemperierung, wo bereits geringe Temperaturdifferenzen von wenigen Zehntel Kelvin hohe Bedeutung haben. Die Intransparenz endet jedoch nicht bei den Messunsicherheiten. Bei vielen Gebäude-Automationssystemen ist es sehr schwierig, einen Überblick über die implementierten Algorithmen und Parameter der einzelnen Regler zu gewinnen sowie bei Anpassungen den jeweils aktuellen Stand zu dokumentieren. Auch sind Änderungen oft nur schwierig und von einem sehr begrenzten Personenkreis umsetzbar, was in der Regel hohen organisatorischen Aufwand und hohe Kosten selbst bei einfachen Korrekturen nach sich zieht. Dies ist in der Inbetriebnahme und einer damit verwobenen Betriebsoptimierung ein schweres Hindernis, ein planmäßiger Betrieb wird erst nach Jahren engagierter Arbeit erreichbar. Nicht selten besteht ein Herrschaftswissen bei den Lieferanten, und der Kunde ist zu hohen Kosten in einem proprietären System mit unbefriedigender Leistung gefangen.

Zuletzt wird ziemlich oft auch ein erschreckend hoher Hilfsstromverbrauch für Gebäudeautomation/MSR-Technik festgestellt – manchmal größer als der Heizwärmebedarf eines typischen Passivhauses! Neben den Kosten liegt hier auch eine Belastung für den Sommerkomfort der Nutzenden und ein hohes ökologisches Verbesserungspotential. Um für Passivhäuser zu guten Automationslösungen zu gelangen, ist es wichtig, deren Besonderheiten an die betreffenden Lieferanten heranzutragen. Denn diese besonders energieeffizienten Gebäude unterscheiden sich in ihrem Verhalten von den Bauten der Vergangenheit. Durch eine gute Gebäudehülle werden Wärmeverluste an die Umwelt sehr stark vermindert, der Wärmebedarf des Gebäudes ist dadurch weniger von der Außentemperatur, sondern eher von freier Wärme aus solaren Einträgen und nutzungsbedingten Einflüssen abhängig (Anwesenheit von Personen, Gebrauch elektrischer Geräte, Beleuchtung).

Konventionelle Regelungen setzen häufig auf einem außentemperaturabhängigen Steuerungsansatz für z.B. die Heizungs-Vorlauftemperatur auf. Das kann im Passivhaus, aber auch schon in weniger effizienten Gebäuden, nicht zu wirklich guten Ergebnissen führen, zumindest wird ein unnötig hoher Systemverlust für die Bereitstellung von Heizwärme anfallen, die nicht in dem entsprechenden Maß genutzt werden kann. In Verbindung mit den immer wichtiger werdenden Wärmepumpen, deren Effizienz weit stärker als bei anderen Systemen vom bereitzustellenden Temperaturniveau abhängt, werden geeignete Regelalgorithmen noch bedeutender.

Die Wechselwirkungen zwischen Gebäuden und dem Energiesystem, seinen kurz- und langzeitigen Speicherprozessen sowie der Charakteristik der Erzeugung kann mit dem System der Primärenergie Erneuerbar (PEr) gut wiedergegeben und in der täglichen Planungspraxis operationalisiert werden. Hiermit liegt eine richtungssichere Leitschnur für Entscheidungen im Planungsprozess vor.

Innerhalb der Gebäude stellt eine gut geplante und einjustierte Automation den optimalen Betrieb der technischen Gebäudesysteme sicher, bevorzugt mit einem geringen Strombedarf für die eigene Funktion. Systeme werden zielgenau geregelt, Vorlauftemperaturen auf das jeweils benötigte Maß begrenzt. Automationssysteme, die den jeweiligen Gebäudezustand hinreichend genau erfassen, können zu einem netzdienlichen Betrieb von Heizsystemen und anderen Anlagen beitragen. Im Passivhaus kann man bei geschickter Nutzung der Wärmekapazität die Heizung immerhin über Zeiträume von Tagen komplett abschalten und die Last entsprechend zeitlich verschieben. Im Altbau geht das nur für einen halben Tag. Diese Flexibilität ist von großem Vorteil für ein erneuerbares Energiesystem. Man muss dabei aber im Blick behalten, dass die Potentiale für solche zeitlichen Verlagerungen quantitativ begrenzt sind – die in der Praxis für Lastverschiebungen nutzbare Wärmekapazität eines Massivbaus liegt in der Größenordnung von einer Kilowattstunde pro Quadratmeter Nutzfläche.

Der Gesetzgeber hat auf der europäischen Ebene die Möglichkeiten der Gebäudeautomation erkannt, wenngleich die erhofften Wirkungen vermutlich überschätzt werden. Die Europäische Gebäuderichtlinie [EPBD 2018] betont die Chancen der Optimierung im laufenden Betrieb. Sie sieht eine wachsende Bedeutung von Building Automation and Control Systems (BACS) und legt fest, dassnach Möglichkeit alle Nichtwohngebäude mit Systemen über 290 kW Nennleistung bis 2025 mit Automationsfunktionen auszustatten sind. Dazu zählt allerdings bereits eine einfache thermostatische Regelung der Heizkörper, die noch nicht in allen Regionen der EU selbstverständlich ist. Die Mitgliedsstaaten müssen in solchen Gebäuden aber auch dafür sorgen, dass Funktionen zur Analyse des Energieverbrauchs eingebaut werden. Verlangt wird auch eine herstellerunabhängige Kommunikation zwischen verschiedenen Systemen im Gebäude. Für Gebäude mit Nennleistungen zwischen 70 und 290 kW wird die Gebäudeautomation zusätzlich mit dem Verzicht auf ansonsten vorgeschriebene physische Inspektionen von Heizungs- und Klimaanlagen attraktiv gemacht.

Für Passivhäuser greifen diese Vorschriften nur in den seltensten Fällen, denn bei einer Heizlast von 10 W/m² würden sie nur ab einer Energiebezugsfläche von 30.000 m² greifen. Allerdings setzt sich der Trend zur Gebäudeautomation fort, im aktuellen Entwurf der EPBD vom Dezember 2021 soll die Anforderungsgrenze auf 70 kW gesenkt werden. Auch für neue und grundlegend renovierte Wohngebäude ist dort ab 2025 eine Automatisierung der energierelevanten Steuerung und Überwachung vorgesehen (EPBD 2021]).

Geht man von unsanierten Altbauten aus, ist nachvollziehbar, dass für BACS ein günstiges Kosten-Nutzen-Verhältnis erwartet wird. Dort kann durch Thermostatventile in allen Räumen, Nachtabsenkung und Vorlauftemperaturregelungen rasch eine Einsparung erreicht werden. Deren absoluter Betrag wird auch die Kosten der Maßnahmen rechtfertigen, die Durchführung solcher „Erste-Hilfe-Maßnahmen“ ist daher überaus empfehlenswert. Im Hinblick auf den angestrebten Wandel des Energiesystems kann diese relativ kleine Verbesserung jedoch niemals eine umfassende energetische Gebäudesanierung ersetzen, ohne die der winterliche Heizenergiebedarf nicht auf ein verträgliches Maß begrenzt werden kann. In den folgenden Kapiteln wird deutlich werden, dass die Einsparungen, die sich durch die Gebäudeautomation erzielen lassen, auch dann immer noch interessant sind, aber kleiner werden.

Ein Passivhaus weist in erster Linie eine optimierte Gebäudehülle auf. Wärmeverluste werden minimiert, hohe solare Wärmegewinne sind im Winter erwünscht. Freie Wärme, also passiv-solare Wärme und nutzungsbedingte Wärme tragen daher naturgemäß bedeutend zur Deckung der Wärmeverluste im Winter bei. Eine wirksame Verschattung vermeidet im Sommer die Überwärmung der Räume, gewährleistet aber eine ausreichende Versorgung mit Tageslicht. Die schlanke, aber optimierte Gebäudetechnik besteht zum wesentlichen Teil aus der Lüftung mit Wärmerückgewinnung, ausgelegt auf den hygienisch erforderlicher Luftwechsel. Ihre Betriebszeiten orientieren sich an der Nutzung, mit einer regelmäßigen Stilllegung außerhalb dieser Zeit. Im Vergleich zu konventionellen Gebäuden sind Heizungs- und Kühltechnik von verminderter Bedeutung, da die erforderlichen Leistungen gering und die umgesetzten Energiemengen überschaubar sind.
In jedem Fall stellt das Gebäude ein System dar, in dem alle Teile in Wechselwirkung stehen. Eine Aufteilung der Gebäudeautomation in unterschiedliche Gewerke ist bei der Herstellung (noch) üblich, in der Betriebsphase dagegen nicht sinnvoll und führt regelmäßig zu nachträglich schwer auflösbaren Schwierigkeiten.

Die häufig anzutreffende Parallelstruktur von Teil-Automationssystemen der verschiedenen Gewerke bringt zumeist keine befriedigenden Ergebnisse, da der Informationsaustauch zwischen den Teilsystemen unvollständig oder gar nicht vorhanden ist. So kann z.B. ein Verschattungssystem nicht auf die Raumtemperaturen bzw. den Heizbetrieb reagieren oder ein Lüftungssystem die Wärmerückgewinnung im Frühjahr nicht passgenau reduzieren.
Zudem wird auch die Inbetriebnahme erschwert, da mehrere, in der Regel ganz unterschiedliche Systeme zu verstehen, zu bedienen und zu optimieren sind. Die Verfügbarkeit von Daten zur Betriebsüberwachung ist entsprechend ebenso eingeschränkt und auf mehrere Quellen verteilt. Allein die Zusammenführung der Daten ist bereits eine Herausforderung.

Es ist also zielführend ein Gewerke-übergreifendes Automationssystem zu errichten. Der thermische Zustand des Gebäudes kann eine hilfreiche Größe zur koordinierten Steuerung und Regelung von Gebäudefunktionen liefern.

Studien mittels dynamischer thermischer Gebäudesimulation zeigen eindeutig, dass das Energie-Einsparpotential der Gebäudeautomation vom Effizienzstandard des Gebäudes maßgeblich beeinflusst wird. Selbst bei einer perfekt optimierten Funktion aller Automationssysteme zeigt die Parametervariation für Passivhäuser ein nur noch sehr geringes Energie-Einsparpotential durch optimierte Regelungen. Die pauschale Annahme eines Einsparpotentials durch Gebäudeautomation ist hier nicht gerechtfertigt.

Nur in Altbauten oder wenig gedämmten Gebäuden kann ein signifikanter Effekt erzielt werden, insbesondere durch genaue Einhaltung der gewünschten Raumtemperatur und einen Absenkbetrieb außerhalb der Nutzungszeit.

Die wesentlichen Einsparpotentiale liegen klar in der Substanz der Gebäudehülle begründet und der Passivhausstandard kann enorme Verbesserungen sowohl gegenüber dem Gebäudebestand als auch gegenüber den gesetzlichen Mindestanforderungen erzielen. Die Nachrüstung einer Gebäudeautomation kann auch für Bestandsgebäude somit eine energetische Sanierung der Gebäudehülle nicht ersetzen, sie stellt allenfalls einen rasch wirksamen ersten Maßnahmenschritt dar.

In Passivhaus-Nichtwohngebäuden zeigt sich eine gutmütige Reaktion auf Regelungsabweichungen mit nur geringem Einfluss auf den Energieverbrauch. Eine Verlängerung der täglichen Nutzungszeiten hat kaum merklichen Einfluss auf den Heizwärmebedarf. Eine Absenkung außerhalb der Nutzungszeit, mit Stützbetrieb bei 17-18°C, ist in kleinerem Umfang dennoch wirksam und kann angesichts der typischerweise langen Stillstandszeiten von Nichtwohngebäuden sinnvoll sein. Die Entsprechend etwas höhere Aufheizlast ist dann zu berücksichtigen, Hinweise dazu gibt AkkP 51.

Eine jahreszeitlich unterschiedliche Regelung der Verschattung ist geboten um solare Wärmegewinne im Winter zu ermöglichen und im Sommer eine Überwärmung der Räume zu vermeiden. Ein Schwellwert von ca. 150 W/m² (Globalstrahlung) auf der Fassadenebene stellt eine sinnvolle Richtgröße dar.

Die bedarfsgeführte Regelung von Beleuchtungseinrichtungen kann erhebliche Mengen elektrischer Energie einsparen, wenn sie selbst einen geringen Hilfsenergiebedarf aufweist, einschließlich Standby. Eine aufmerksame Gebäudeplanung für hohe Tageslichtautonomie und eine optimierte Fachplanung der Beleuchtung kann dadurch unterstützt, jedoch nicht ersetzt werden.

Der Umfang von angemessenen Gebäudeautomationssystemen für Passivhaus-Nichtwohngebäude wird in der von A bis D reichenden Bewertungsskala der EN15232-1:2017 zumeist eine Bewertung von A oder B erzielen. Daraus ist aber nicht zu folgern, dass eine mit A bewertete Automationslösung allein deswegen bereits für Passivhaus-Gebäude geeignet wäre. Sinnvoll an die Besonderheiten solcher Gebäude angepasste Automationskonzepte sind vielmehr entscheidend, vergleiche hierzu auch den Beitrag Konzepte für die Automation in Passivhaus-Nichtwohngebäuden.

Um geeignete Konzepte für die Gebäudeautomation zu finden, ist es hilfreich, sich zunächst die Grundmotivation zum Bau von Gebäuden zu vergegenwärtigen. Gebäude verschaffen der menschlichen Aktivität Unabhängigkeit vom Wettergeschehen und den Jahreszeiten. Nach der Kleidung stellen sie gewissermaßen die „dritte Haut“ der Nutzenden dar. Menschen mit Bürotätigkeit verbringen 90% ihrer Lebenszeit innerhalb von Gebäuden.

Um die komplexen damit verbundenen Anforderungen zu erfüllen, ist ein wesentliches Ziel die Gewährleistung von komfortablen Innenraumzuständen. Thermische Behaglichkeit trägt hierzu wesentlich bei, weiterhin bedeutend ist die Raumluft-Qualität. Auch die visuellen Bedingungen müssen den gegebenen Sehaufgaben und dem allgemeinen Wohlbefinden förderlich sein.
Im Hinblick auf die dringend erforderliche Nachhaltigkeits-Wende sind alle diese Anforderungen mit einem geringen Energieeinsatz zu erfüllen, so dass die Gebäude leicht und kostengünstig mit erneuerbaren Energien zu betreiben sind.

Ziel sind also bestimmte Eigenschaften der Innenräume, weitgehend entkoppelt vom äußeren Geschehen.

Um technische Gebäudesysteme zielgenau steuern und regeln zu können, ist es erforderlich, den saisonalen Betriebsmodus zu kennen:

• Befindet sich das Gebäude im Winter, ist die Heizungsanlage zu aktivieren, die Lüftung soll mit Wärmerückgewinnung arbeiten und die Verschattung in der Regel deaktiviert bleiben, um passiv-solare Wärmegewinne zu nutzen.
• Im frühen Frühling soll zunächst die Heizung außer Betrieb genommen werden, die Wärmerückgewinnung des Lüftungssystems aber weiterhin aktiv sein, und auch solare Wärmegewinne sind noch immer gewünscht.
• Späterhin soll die Wärmerückgewinnung deaktiviert und die Verschattung so betrieben werden, dass solare Einträge begrenzt werden.
• Im Sommer ist ggfs. eine Nachtlüftung oder andere Wärmeabfuhr zu aktivieren.

Zum Herbst und Winter hin ist ein ähnlicher Prozess in umgekehrter Reihenfolge zu durchlaufen.

Die klassischerweise verwendete Außentemperatur ist in effizienten Gebäuden keine geeignete Grundlage für die Einschätzung des Geschehens im Gebäude-Inneren. Ein modellbasierter Ansatz, der alle Einflüsse des Wetters (insbesondere Außentemperatur und Sonneneinstrahlung) neben den nutzungsbedingten Wärmeeinträgen usw. berücksichtigt, ist sehr aufwändig und zu starr bei Nutzungsänderungen. Das Gebäude selbst integriert jedoch alle Einflüsse fortlaufend in der Temperatur der tiefen Gebäudemassen (Betonkerntemperatur). Dies stellt einen geeigneten (Tiefpass) Filter für die stark fluktuierenden Raumtemperaturen dar, und gibt klare Tendenzen aus.

In dem Schulprojekt der FOS/BOS Erding wurde ein solches Regelungskonzept auf Basis von unmittelbar gemessenen Betonkerntemperaturen erfolgreich umgesetzt und in einem umfassenden, von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt DBU (Projekt 26170/02) geförderten Monitoring begleitet. Das Regelungskonzept bewährte sich gut. Die Betonkerntemperaturen aus einer größeren Anzahl von Räumen wurden gemittelt und aus der Mitteltemperatur der thermische Zustand des Gebäudes bestimmt. Durch die Festlegung von Schaltschwellen und Hysteresen konnte zwischen Heiz-, Neutral- und Kühlbetrieb automatisch umgeschaltet werden:

Ein schädlicher, kurzfristiger Wechsel des Betriebszustandes ist durch die Trägheit der thermischen Gebäudemasse ausgeschlossen. Hingegen kann ohne Weiteres automatisch auf ungewöhnliche Wetter- oder Nutzungsphänomene reagiert werden, wie etwa späte Kälteeinbrüche oder erhöhte interne Wärmegewinne.

Die Bestimmung des thermischen Zustandes aus direkter Betonkern-Temperaturmessung hat sich gut bewährt. Diese direkte Messung ist jedoch relativ aufwändig, weil sie die Herstellung, Unterhaltung, Kalibrierung und Auswertung einer Anzahl zusätzlicher Sensoren erfordert. Der thermische Zustand kann aber für einen Raum mit hinreichender Genauigkeit durch ein einfaches thermisches Modell einer Betondecke auf Basis der vorhandenen Raumtemperatur berechnet werden.

Auf diese Weise kann die Information einfach und kostengünstig bereitgestellt werden. Die Daten aus einer Anzahl geeigneter Musterräume werden gemittelt und über 24 Stunden geglättet um den thermischen Zustand des Gebäudes zu erhalten. Danach könnten die Syteme geregelt werden. Vorteilhaft werden gegenüber dem Ansatz der FOS/BOS Erding noch weitere Schwellwerte definiert, die beispielhaft so lauten können:

Der Einstrahlungswert von 150 W/m² (~15 kLux) versteht sich als Globalstrahlung auf die betroffene Fassadenebene (leicht editierbar anzulegen).

Die hier angegebenen Schaltwerte sind musterhaft und bewähren sich im Simulationsmodell. Für eine reale Automationsanlage müssen sie leicht editierbar sein, um für ein spezifisches Gebäude optimiert werden zu können.
Eine weitere Ausdifferenzierung ist denkbar, indem etwa die Wärmerückgewinnung der Lüftung nach dem gebäudeweiten thermischen Zustand gesteuert wird, die Heizung nach dem auftretenden Minimum unter den thermischen Zuständen der Einzelräume, die Kühlung nach deren Maximum. Ob diese zusätzliche Komplikation tatsächlich eine Verbesserung verspricht, muss im Einzelfall geprüft werden. Für viele Fälle sollte ein gebäudeweiter Ansatz ausreichend sein.

Eine Hysterese von 0,1 bis 0,2 K erscheint sinnvoll, dies entspricht auch der Projekterfahrung aus der FOS/BOS Erding.

Der folgende Code-Schnipsel (Python) gibt einen Eindruck des Modells. Es benötigt minimale Rechenleistung und kann auf jedem Microcontroller umgesetzt werden, sogar batteriebetriebene, dezentrale Geräte können über diese Information leicht verfügen. Das Beispiel geht von einem 10-minütigen Messintervall der Raumtemperatur aus, lässt sich jedoch einfach an andere Datenraten anpassen.

# Passivhaus Institut GmbH, Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser 59,
# 'Energieeffiziente Nichtwohngebäude – die Potentiale der Gebäudeautomation optimal nutzen'
# Wolfgang Hasper, 2023

# This program is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms of
# the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation, either
# version 3 of the License, or (at your option) any later version.
# This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY WARRANTY;
# without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.
# See the GNU General Public License for more details.
# You should have received a copy of the GNU General Public License along with this program.
# If not, see <https://www.gnu.org/licenses/>.

# A dynamic resistor-capacitor (RC-) model of a massive concrete member
# to approximate the concrete core temperature from measured
# room temperatures as are usually available in building automation systems
# in order to save the spending on dedicated concrete core temperature sensors.
# The synthetic concrete core temperature presents a useful form of low pass filter, the
# result indicates the thermal condition of the
# building and can hence be used to control systems accordingly.
#
# Assumptions:
# Over long periods of time equalised radiative temperature within the
# entire room can be assumed for well-insulated buildings ("thermal short-circuit"):
# The radiative heat exchange between room-defining surfaces (~5.8 W/K) dominates any
# other heat transferring processes.
# Hence the assumption room temperature = surface temperature of the concrete member is a justified
# approximation.
# This eliminates all complications of the variable convective heat transfer coefficient.
# The model is further symmetric.
#
# The model considers 5 layers of reinforced concrete
# and 1 unit area (1m²)
# The innermost node is the symmetry point (index 5)
#
# density       rho             kg/m³
# spec capacity c               Ws/(kgK)
# conductivity  LAMBDA          W/(mK)
# heat flux     Q               W
# conductance   L               W/(m²K)
# capacity      C               Ws/(Km²)
# total nodes   N               -
# node          n               -
# time step     DT              sec
# layer thickness               m
# Room temp.   tr               °C

# start conditions:
# temperature within neutral band to ensure a reasonable start
# in summer or winter

# room temperature tr is fed into the function in regular intervals
def RCmodel(tr):

    # constants
    RHO = 2400
    C = 1080
    LAMBDA = 2.1
    D1 = 0.025
    D2 = 0.025
    D3 = 0.025
    D4 = 0.05
    D5 = 0.05

    # surface heat transfer coefficient, approx. 5.8 W/(m²K) radiative, convective disregarded as highly depending on direction of heat flow
    L0 = 5.8

    L1 = LAMBDA / D1 # W/(m K) * 1/m  = W/(K m²)
    L2 = LAMBDA / D2
    L3 = LAMBDA / D3
    L4 = LAMBDA / D4

    # symmetry / adiabatic boundary
    # L5 = 0

    # area specific capacity of each layer
    C1 = D1 * RHO * C # m * kg/m³ * Wsec/(kgK) = Wsec/(m²K)
    C2 = D2 * RHO * C
    C3 = D3 * RHO * C
    C4 = D4 * RHO * C
    C5 = D5 * RHO * C

    # time step in seconds
    DT = 60 # Internally the model operates on a 60 sec timestep, for reasons of numerical stability

    # Model geometry:
    #                      q1         q2        q3        q4        q5        q6 = 0 = symmetry

    # Room temperature tr -L0 -  C1 - L1 - C2 - L2 - C3 - L3 - C4 - L4 - C5 - L5
    #                            t1        t2        t3        t4        t5
    #
    # The temperature t5 of C5 is the desired result

    global t1
    global t2
    global t3
    global t4
    global t5

    # loop the model for the number of 60-sec time steps that fit the room temperature data interval
    # e.g. for a 10 minute room temperature data interval this will be 10 loop cycles (0...9)
    for x in range (9):
        #n = 1
        q1 = L0 * (tr-t1) + L1 * (t2-t1) # W/(K m²) * K = W/m²
        q2 = L1 * (t1-t2) + L2 * (t3-t2)
        q3 = L2 * (t2-t3) + L3 * (t4-t3)
        q4 = L3 * (t3-t4) + L4 * (t5-t4)
        q5 = L4 * (t4-t5)

        t1 = t1 + (q1/C1 * DT) #  W/m² * m² K/(W sec) * s = K
        t2 = t2 + (q2/C2 * DT)
        t3 = t3 + (q3/C3 * DT)
        t4 = t4 + (q4/C4 * DT)
        t5 = t5 + (q5/C5 * DT)

    return t5

# for control applications best use a 24 hour running mean of t5 / the thermal condition, in order to
# smooth out the slight diurnal cyle

Das Temperaturniveau in Heizsystemen sollte an den Bedarf angepasst werden um unnötig hohe Wärmeverluste in Erzeugern und Verteilsystemen zu vermeiden, die Kondensation des Wasserdampfes aus Verbrennungsprozessen zu ermöglichen und die Arbeitszahl von Wärmepumpensystemen zu vergrößern.
Bei intermittierend betriebenen Nichtwohngebäuden wird die Heizung in der Nacht und an Wochenenden in einen Stützbetrieb zur Einhaltung einer Mindesttemperatur von z.B. 17 °C geschaltet. Effektiv wird sie dafür in der Regel abgeschaltet, da in einem Passivhaus-Gebäude innerhalb eines Wochenendes in der Regel keine derartige Auskühlung eintritt. Ein Stützbetrieb wird gewöhnlich erst am dritten oder vierten Tag der Nutzungsunterbrechung wirksam, also an langen Wochenenden oder in Ferienzeiten.
Erst zur Aufheizung vor Betriebsbeginn wird die Heizung dann wieder benötigt. Aus dieser intermittierenden Nutzung ergibt sich eine Tagesdynamik mit dem höchsten Heizleistungsbedarf am frühen Morgen, der im weiteren Verlauf zurückgeht und oftmals gegen Mittag eine marginale Grenze erreicht. Insbesondere in Schulen und anderen von vielen Menschen genutzten Gebäuden ist dieser Effekt ausgeprägt, was sich aus der nutzungsbedingt anfallenden Wärme durch Anwesenheit vieler Personen, künstliche Beleuchtung und Arbeitshilfen ergibt.

Für einen optimierten Betrieb des Heizsystems sollte jeweils genau die erforderliche Leistung bereitgestellt werden, gerade passend zum Leistungsbedarf des Gebäudes. Die dann jeweils minimale Medientemperatur kann die Arbeitszahl einer Wärmepumpe deutlich beeinflussen und auch bei einem Brennwertkessel die Abgasverluste senken. Durch den steilen Anstieg des Carnot-Wirkungsgrades bei geringen Temperaturdifferenzen des Wärmepumpenprozesses wirkt sich eine Verbesserung an dieser Stelle merklich aus.

Um einen thermodynamischen Vorteil am Wärmeerzeuger zu erreichen, darf die Vorlauftemperatur nicht durch Rücklaufbeimischung geregelt werden. Vielmehr soll der Erzeuger stets nur die benötigte Temperatur bereitstellen. Sofern kein besonders hoher Warmwasserbedarf besteht ist in Nichtwohngebäuden eine dezentrale Warmwasserbereitung mit elektrischen Durchlauferhitzern oft eine günstige Lösung. Aber auch bei zentralen Systemen sollte der Wärmeerzeuger nur kurzzeitig für die Warmwasserbereitung hohe Temperaturen bereitstellen müssen.

Die einfache und allgemein eingeführte Steuerung der Heizmedientemperatur nach der Außentemperatur, über eine Heizkennlinie, ist für Passivhäuser nicht zielführend, da durch die hohe themische Zeitkonstante des Systems und den großen Einfluss von freier Wärme nur ein sehr schwacher Zusammenhang der Heizleistung mit der Außentemperatur verbleibt. Da viele Wärmeerzeuger keine alternative Steuerungsmöglichkeit besitzen, lag hier in der Vergangenheit oft die einzige einfache Möglichkeit in einer möglichst flachen und ausreichend parallel verschobenen Kennlinie, die eine quasi konstante Vorlauftemperatur bereitstellt. Die Möglichkeiten einer Anpassung an den Bedarf bleiben so freilich ungenutzt.

In der obigen Abbildung wird der Vorlauftemperatur-Sollwert (rot) ganz konventionell entsprechend einer Kennlinie nach der gemischten Außentemperatur gesteuert. Die Korrelation mit der tatsächlich nachgefragten Heizleistung (orange, rechte Achse) ist oftmals nicht stimmig. In einigen Zeiträumen erscheint die Vorlauftemperatur höher als benötigt (z.B. regelmäßig in der zweiten Wochenhälfte), in den Anheizphasen nach der Betriebsunterbrechung am Wochenende ist sie dagegen mitunter wohl zu gering.

Ist der thermische Zustand des Gebäudes bekannt, kann er als Eingangswert einer Kennliniensteuerung der Medientemperatur herangezogen werden. Dies führt bereits zu einer recht guten Korrelation mit der tatsächlichen Leistungs-Nachfrage. In seiner Einfachheit ist dieses Kennlinien-Verfahren sicherlich nicht optimal, kurzzeitig auftretende Wärmeeinträge, insbesondere durch Solarstrahlung, können nicht unmittelbar ausgeregelt werden. Wird die Heizungsanlage allerdings zusätzlich bei Unterschreiten einer minimalen Pumpendrehzahl, also bei marginalem Durchfluss, für den Rest des Tages abgeschaltet, kann bereits dieser einfache Ansatz gut funktionieren.

Die zweite Abbildung stellt exemplarisch den nach einer Kennlinie auf Basis des thermischen Zustands (grau) bestimmten Sollwert der Vorlauftemperatur (rot) dar. Die nachgefragte Heizleistung ist unten in orange aufgetragen, mit Bezug zur rechten Y-Achse. Es zeigt sich eine gegenüber dem Außentemperatur-bezogenen Ansatz in der vorhergehenden Abbildung deutlich verbesserte Korrelation von bereitgestellter Systemtemperatur und abgerufener Heizleistung. Sofern die Heizungsanlage zur Zeit der Betriebsunterbrechung am Wochenende abgeschaltet wird, erscheint das bereits recht aussichtsreich.

Ideal ist eine echte Leistungs-basierte Regelung, die stets nur die minimale Vorlauftemperatur für die Versorgung des kritischen Raumes bereitstellt. Ob der zusätzliche Aufwand gegenüber dem Kennlinien-Verfahren nach dem thermischen Zustand den Aufwand rechtfertigt, ist im Einzelfall zu prüfen. Möglichkeiten bestehen hier in der Regelung nach gemessenen Heiflächentemperaturen, Ventilstellungen der Thermostatventile oder der Auskühlgeschwindigkeit des Heizwassers, was zumeist einigen zusätzlichen Aufwand zur Datenerfassung bedingt. Der Aufschwung der elektronischen Datenerfassung und -übermittlung stellt hier weitreichende neue Möglichkeiten bereit, die allerdings immer vor dem Hintergrund einer für Jahrzehnte zuverlässigen Funktion bewertet werden sollten.

Die Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung (WRG) ist im Passivhaus als Teil der Gebäudehülle zu betrachten: Die hygienisch erforderliche Außenluft wird durch die abzuführende verbrauchte Luft erwärmt, so dass bis zu 90% der Wärme im Gebäude zurückgehalten werden.
In Wohngebäuden sollte die Lüftung zumindest in der kalten Jahreszeit durchgehend betrieben werden, um auch nach kurzzeitiger Abwesenheit frische Luft bereitzustellen. In Nichtwohngebäuden wie Büros und Schulen soll die Lüftung bei planmäßig längerer Abwesenheit von Personen am Abend und am Wochenende abgeschaltet werden. Dabei ist auf einen geregelten Abschaltbetrieb mit Filtertrocknung zu achten. Vor Ankunft der Nutzer sollte allerdings eine ausreichend lange Vorspülphase eingehalten werden, typischerweise ca. 1 Stunde.

Neben den Betriebszeiten sind ein zu allen Zeiten balancierter Betrieb der Anlage und die Einhaltung der planungsgemäßen Volumenströme sicherzustellen. Die Balance wird am Besten direkt im Geät durch Messung des Volumenstroms an den Ventilatoren überwacht und durch Folgebetrieb des Abluftventilators gegenüber dem Zuluftventilator („Master/Slave“) ausgeregelt. Eine unabhängige Konstantdruckregelung beider Kanalstränge ist aufgrund der kumulierten Ungenauigkeit von Volumenstromreglern zu unsicher. Der aktuelle Gesamt-Volumenstrom muss in der Automationsanlage jederzeit einsehbar und der Sollwert editierbar sein.

Der Frostschutz in einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung hat die Aufgabe, dass der Volumenstrom durchgängig aufrechterhalten werden kann, auch wenn die angesaugte Außenluft zeitweise so kalt sein sollte, dass die Feuchtigkeit auf der Abluftseite des Wärmeübertragers gefrieren könnte. Die warme und feuchte Abluft hat allerdings das Potential den Frost im Wärmeübertrager zu verhindern bis typischerweise -5°C Außenluft-Temperatur. Erst darunter muss mit Eisbildung auf der Abluftseite gerechnet werden. Um auf der sicheren Seite zu bleiben wird empfohlen die Einschalt-Schwelle für eine Frostschutz-Vorheizung auf etwa T_Außenluft ≤ -3°C einzustellen. Höhere Schalt-Temperaturen würden ein Teil des Potentials der Wärmerückgewinnung verschenken und einen erheblichen unnötigen Energieaufwand für den Frostschutz bedeuten.

Zu beachten ist, dass für eine optimierte Regelung zunächst Temperatursensoren mit geringer Messunsicherheit benötigt werden. Generell gilt als Empfehlung für die Regelstrategie für den Frostschutz einer Lüftungsanlage in einem Gebäude: der Frostschutz sollte von Seiten der Gebäudeautomation erst freigegeben werden, wenn T_Außenluft < 0°C ist. Vorher muss nach dem oben gesagten niemals abluftseitig mit Frost gerechnet werden, weil die Abluft und deren Feuchte selbst etwas Wärme mitbringt. Darüber hinaus gelten folgende Empfehlungen für die Einschalt-Schwelle der verschiedenen Wärmeübertrager:

Regelungen für den Frostschutz sind zumeist Bestandteil der Regelgeräte der Hersteller und insofern nicht näher bekannt. Das macht eine Betriebsoptimierung jenseits der Schaltschwellen schwierig bis unmöglich. Es ist daher zumindest hilfreich, die Problematik zu diskutieren und eine generische Regelstrategie vorzustellen.

Folgende Führungsgrößen sind für die Regelung der Frostschutz-Vorheizung möglich:

• T_Fortluft ist alleine zu ungenau, weil die Temperaturverteilung im Kanal eine zu große Streuung hat
• T_Zuluft alleine kann eine Frostbildung nicht sicher erkennen
• T_Außenluft ist ungeeignet, weil darin die Abwärme der Abluft nicht erfasst wird.
• Daher wird empfohlen eine Kombination aus T_Zuluft und T_Fortluft als Führungsgröße zu verwenden.

Ein Vorschlag für die kombinierte Einschalt-Bedingung könnte folgendermaßen lauten:
T_Fortluft < + 5°C UND T_Zuluft < 16°C

Auf eine geringe Messunsicherheit der Temperatur-Sensoren ist zu achten, z.B. ±0.3 K incl. der Messkette. Außerdem ist die Position der Sensoren im Luftkanal kritisch, wegen möglicher Inhomogenitäten der Temperaturverteilung. Die Erfahrung aus Frostschutzversuchen im Labor zeigen: bei T_Fortluft < + 5°C kann sich schon nennenswert Eis gebildet haben. Jeder Hersteller muss für seine Geräte eine adäquate Frostschutz-Strategie und eine angepasste Regelstrategie entwickeln. Die hier genannten Größen und Schwellwerte können lediglich Anhaltspunkte sein. Eine deutlich verbesserte Transparenz bezüglich der jeweils umgesetzten Strategie erscheint geboten.

Der Frostschutz selbst kann durch mehrere unterschiedliche Techniken erreicht werden, die hier nur kurz genannt werden.

• Vorerwärmung der Außenluft
  • elektrisch
  • hydraulisch aus Heizsystem
  • Erdwärmeübertrager
  • erdgekoppelter Solekreis
  • Zuluft-Rückführung. Erwärmete Zuluft wird der Außenluft beigemischt um die Temperatur anzuheben. Bevor eine Lüftungsanlage am Abend oder vor dem Wochenende abgeschaltet werden darf, müssen die Filter getrocknet werden. Eine Zuluft-Rückführung ist auch sinnvoll für die Filter-Trocknung verwendbar.
• Außenluft-Bypass. Erhält die Gesamt-Balance des Gerätes und erreicht einen Abluft-Überschuss im Wärmeübertrager. Erfordert Nachheizregister zur Einhaltung einer minimalen Zulufttemperatur aus Behaglichkeitsgründen.
• Enteisung durch sektionale Disbalance im Wärmeübertrager (erfordert besondere Steuerelemente)

Die Reduktion des Zuluft-Volumenstroms zur Vermeidung von Vereisung im Wärmeübertrager empfiehlt sich aus hygienischen Gründen nicht. Wird in einem Gebäude nicht primär über die Zuluft geheizt, dann kann allerdings in bestimmtem Maße auch der Zuluftvolumenstrom reduziert werden. Zu beachten ist, dass die in erhöhtenm Maß erzwungene Infiltration eine Vergrößerung der Heizlast bewirkt, die zusätzlich aufgefangen werden muss.

Konventionelle Gebäude oder gar Altbauten mit geringer Wärmedämmung, in denen zudem nur über die Fenster mit kalter Außenluft gelüftet werden kann, sind thermisch 'instabil' und kühlen innerhalb von wenigen Stunden auf unkomfortable Temperaturen ab, sobald die Heizung abgeschaltet wird oder ausfallen sollte.

Andererseits sind Gebäude generell aufgrund der hohen Massen thermisch 'träge', d.h. Aufheizvorgänge, z.B. nach einer Fensterlüftung oder nach der Nachtabsenkung lassen sich daher auch in Altbauten nur mit Zeitkonstanten von einigen Stunden realisieren. Aus diesem Grund muss die Raumtemperatur mit Hilfe von ggf. aufwendigen Regelalgorithmen auf einem vorgegebenen Sollwert, z.B. 21°C gehalten werden.
Für die Regelalgorithmen ist vor allem das Überschwingen der Temperatur problematisch: Wird die Heizleistung linear (proportional-Regler) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Raumtemperatur und Sollwert gesteigert, dann wird die Raumtemperatur meist nach Reduktion und Abschaltung der Heizleistung über den Sollwert hinaus ansteigen und 'überschwingen'. Auch zusätzliche Integral- oder Diffe-rential- Regelanteile können ein Überschwingen nur unzureichend vermeiden. Das Problem ist in der Regelungstechnik bekannt und wird in den einschlägigen Lehrbüchern eingehend beschrieben, soll an dieser Stelle also nur kurz angesprochen werden.
Eine weitere Regelaufgabe ergibt sich bei Gebäuden und der Regelung der Raumtemperatur, wenn man zusätzliche Störgrößen mit ggf. kürzeren Zeitkonstanten berücksichtigen muss, zum Beispiel wenn die Fensterlüftung oder eine Lüftungsanlage (ohne oder mit schlechter WRG) kalte Luft in den Raum einbringt. Intern in Lüftungsgeräten mit Lufterhitzern muss der Frostschutz von Heizregistern ebenfalls über eine adäquate Regelung realisiert werden.
Derartige Regelaufgaben können mit ineinander geschachtelten Regelkreisen gelöst werden (Kaskadenregelung). Ein Beispiel für eine Kaskadenregelung: der Raum werde über Heizflächen beheizt. Ne-ben der Regelung der Raumtemperatur in Abhängigkeit von der Ablufttemperatur kann noch zusätzlich die Störgröße Zulufttemperatur aus der Lüftungsanlage direkt beobachtet werden. Der Zuluft-Temperatur-Regler mit Temperatursensor in der Zuluft kann direkt auf eine zusätzliche Beheizung der Zuluft einwirken und damit eine Abkühlung im Raum schneller korrigieren als es mit dem Abluft-Raumtemperatur-Regler möglich wäre, der die Heizflächen erst ansteuern würde, wenn die Ablufttemperatur entsprechend abgesunken wäre.

Es stellt sich allerdings heraus, dass diese Regelkonzepte häufig Regelaufgaben bearbeiten, die in Passivhaus-Gebäuden so entweder nicht gebraucht werden oder dem Passivhaus-Konzept sogar widersprechen. In einem Passivhaus sorgt eine Lüftung mit hochwertiger Wärmerückgewinnung (WRG) dafür, dass die Zuluft durchgängig auf behaglichen ≥ 17°C gehalten wird. Außerdem können in Passivhäusern die internen Wärmequellen (IWQ) zu einem nennenswerten Anteil zur Beheizung der Räume beitragen. Weiterhin wird die Raumtemperatur in einem Intervall von 20 … 25°C als behaglich definiert. Das heißt wenn die Raumtemperatur in diesem Bereich liegt, muss weder geheizt noch gekühlt werden. Aus Monitorings ist bekannt, dass viele Nutzer eine Temperatur von 22°C als optimal empfinden.
Dies vorausgesetzt, zeigt das oben genannte Beispiel, dass eine einfache Regelung zur Zuluft-Nacherwärmung, welche die Zuluft-Temperatur ständig auf T_Zuluft = 21°C hält, nicht zu einem Passivhaus passt:
Mit der gut wärmegedämmten Gebäudehülle und insbesondere der Luftdichtheit und der Lüftungs-WRG besteht für ein Passivhaus eine Gebäude-Hardware, die von Grund auf die die Raumtemperatur und damit den thermischen Komfort in den Innenräumen konstant hält. Die thermische Trägheit des Gebäudes wird damit so groß, dass kurzzeitige, räumlich begrenzte Temperaturschwankungen, z.B. aufgrund eines selten geöffneten Fensters sehr schnell weggepuffert werden.
Gibt es eine Flächen-Heizung, dann braucht die Zuluft im Passivhaus also abgesehen von der weiter oben beschriebenen Frostschutz-Vorheizung nicht weiter beheizt werden. Die minimal 17°C Zulufttemperatur reichen aus und damit können die zeitweise vorhandenen IWQ und die solaren Wärmegewinne ('freie Wärme') auch sinnvoll genutzt werden. Wird jedoch die Zuluft immer (aufwendig) auf 21°C gehalten, so führt dies häufig zu einer nicht erwünschten Überwärmung der Räume, die von den Nutzern ggf. über die Fenster weggelüftet wird, wenn nicht bereits im Gerät automatisch die Wärmerückgewinnung abgeregelt wird. In beiden Fällen wird jedoch die Nutzung der freien Wärme verhindert und das Passivhaus-Konzept konterkariert.

Die Regelaufgabe muss also anders definiert werden und wird im Passivhaus sogar viel einfacher: das Behaglichkeits-Intervall ist T_Raum = 20…25°C oder ggf. 22…25°C wenn von den Nutzern gewünscht, z.B. bei Altenheimen. Eine (zeitweise) Erhöhung der Raumtemperatur innerhalb dieses Intervalls durch freie Wärme kann akzeptiert werden und ist sogar meistens erwünscht. Denn Wärmegewinne tagsüber können und sollen absichtlich mit der Gebäudemasse gespeichert werden. Eine überempfindliche Regelung ist nicht nur aufwendig, sondern meist kontraproduktiv: Es darf also (im Winter) keinesfalls der Bypass der WRG aktiviert werden, um T_Zuluft auf 21°C zu halten und es darf keinesfalls gekühlt werden.
Anstatt eines fest vorgegebenen Wertes für die Zuluft-Temperatur sollte im Passivhaus also die Raumtemperatur als Regelgröße beobachtet werden. In Nichtwohngebäuden kann auch die Ablufttemperatur oder ein geeigneter Mittelwert aus beiden herangezogen werden. Sehr große IWQ müssen ggf. für Zonen mit besonderer Nutzung selbstverständlich getrennt betrachtet und geregelt werden. Der thermische Zustand des Gebäudes kann Orientierung darüber geben, ob Gewinne aus freier Wärme zu einem gegebenen Zeitpunkt wünschenswert oder zu vermeiden sind. Ist dieser nicht verfügbar, kann hilfsweise T_Außenluft < 16°C (Behaglichkeitskriterium) während mehr als 7 Stunden pro Tag als Kriterium für Winterbetrieb mit voller Wärmerückgewinnung dienen. Soll eine rein kalendarische Lösung umgesetzt werden (die bei untypischen Wetterlagen nicht reagieren kann, aber zumeist richtig liegt) kann anhand der Monatsmittelwerte der Außenlufttemperatur entschieden werden [AkkP 44]. Ein ähnliches Vorgehen ist auch durch einen gleitenden Monatsmittelwert basierend auf gemessenen Wetterdaten denkbar.

Wichtig ist noch zu bemerken, dass der oben definierte Zeitraum 'Winter' deutlich länger ist als die Heizzeit im Passivhaus. Denn in der Übergangszeit (etwa April-Mai und Sep.-Okt.) mit moderaten Außentemperaturen ist die Lüftung mit WRG wichtig, um für behagliche Zulufttemperaturen zu sorgen. Andererseits kann es auch da schon sinnvoll sein, dass an einzelnen Tagen und Stunden mit T_Außen > 25°C der Bypass aktiviert wird. Dafür kann ggf. die Messung der Temperaturen in der Außenluft-, Abluft und Fortluft und ein entsprechender Regelmechanismus von der Steuerung des Lüftungsgerätes verwendet werden. Für Inbetriebnahme und Betriebsoptimierung ist hier wiederum Transparenz über den eingesetzten Algorithmus bedeutsam.

Bewegliche Verschattungseinrichtungen sind für Gebäudenutzer besonders augenfällig und ihre (oft lautstarke) Bewegung wird nicht selten als irritierend wahrgenommen. Zudem sind individuelle Vorlieben unterschiedlicher Nutzer mit einer an die Jahreszeit angepassten Betätigung der Verschattung auszubalancieren. Eine gut konzipierte Steuerung und Regelung sind hier also von besonderer Bedeutung für Nutzerakteptanz und Gebäudefunktion.

Je nach thermischem Zustand des Gebäudes sind solare Wärmeeinträge erwünscht oder zu vermeiden. Eine jahreszeitliche Unterscheidung (Bestimmung des saisonalen Betriebsmodus') ist also zwingend erforderlich. Sind solare Gewinne erwünscht, bleibt die Verschattung stets geöffnet. Eine Möglichkeit für einen Nutzereingriff ist aber aus den oben benannten Gründen gleichwohl dringend erforderlich um den unterschiedlichen Vorlieben oder Erfordernissen Rechnung zu tragen. Es hat sich bewährt, solche Nutzereingriffe für jeweils eine begrenzte Zeit zuzulassen und anschließend das Automatiksignal wieder einzusetzen. Ein Zeitraum von 2-3 Stunden vermeidet eine übermäßige Bevormundung der Nutzenden, stellt aber auch einen angemessenen Gebäudebetrieb hinreichend sicher.

Sind solare Gewinne zu vermeiden, wird die Verschattung bei Überschreitung eines Schwellwertes der Einstrahlung von ca. 150 W/m² (Globalstrahlung, ~ 15 kLux) auf die betreffende Fassade automatisch geschlossen. Ein Nutzereingriff ist wiederum für die begrenzte Zeitspanne jederzeit möglich. Wird der Automatikbetrieb zu festen Zeitpunkten wieder eingesetzt, kann 06:00, 09:00, 12:00 usw. ein sinnvolles Raster bilden.

Es ist sinnvoll, die Ansteuerung der Verschattungseinrichtungen in jedem Fall mindestens Geschoss- und Orientierungsweise zu trennen. Sofern Nachbarbebauung die Fassaden verschattet, kann auch ein kritischer Höhenwinkel mit einbezogen werden.

Die Auswahl eines Verschattungssystems, das eine ausreichende Tageslichtversorgung ermöglicht, ist ein zusätzlicher Planungsaspekt.

Die Regelung sollte sich auf Messwerte eines hochwertigen Sensors stützen, der in angemessener Weise kalibriert wird. Nur dann kann auch auf lange Frist eine verlässliche Funktion erwartet werden. Sofern eine Betriebsüberwachung erfolgen soll, bietet sich hierfür ein Globalstrahlungssensor (horizontal) an, dessen Messwerte dann auch zu Monatswerten der Einstrahlung am Standort aufbereitet werden können.

Der Betrieb einer Gebäudeautomations-Anlage ist eingebettet in die langfristige Bewirtschaftung des betreffenden Objektes. Er soll durch einwandfreie Funktion dauerhaft den angestrebten Nutzen stiften und einen Beitrag zum optimierten Ressourceneinsatz leisten. Beides lässt sich unter dem Begriff der Nachhaltigkeit zusammenfassen, auf einer technischen und einer ökologischen Ebene. Dabei kann die ökologische Seite selbst unterschiedliche Facetten umfassen und überlagert sich darin auch mit der technischen Seite der Nachhaltigkeit.
Von großer Bedeutung ist hier die Effizienz der Automationssysteme, ausgedrückt durch den (absoluten) Nutzen im Verhältnis zu dem dafür erforderlichen Aufwand. Dabei kann es sich unmittelbar um das Verhältnis aus Hilfsenergiebedarf und realisierter Energieeinsparung handeln oder auch um den Ressourceneinsatz zur Herstellung eines Systems und seiner technischen Lebensdauer. Letztere ist unmittelbar auch mit der Zuverlässigkeit bzw. Funktions-Qualität der Anlage verknüpft.
Es kommt, kurz gefasst, also darauf an, den höchstmöglichen Nutzen mit geringst-möglichem Ressourceneinsatz zu erzielen. Das ist ein sehr geringer Hilfsenergiebedarf in robust funktionierenden Systemen von langer Haltbarkeit (> 20 Jahre). Robust funktionierende Systeme lassen sich dann erzielen, wenn geeignete Konzepte verfolgt werden.

In den aktuellen Diskussionen über die zunehmende Bedeutung der Gebäudeautomation wird der für den Betrieb dieser Systeme erforderliche Hilfsenergiebedarf selten erwähnt. Dabei zeigt eine einfache Messung an beispielhaften Komponenten, dass hier ein erheblicher Energieeinsatz erfolgt.
Eine Vielzahl von Aktoren, Sensoren und Automationsstationen setzt elektrische Energie ein um die gewünschte Funktion zu erbringen. Der jeweilige Leistungsbedarf erscheint zunächst gering, viele Werte liegen bei wenigen Watt. Über die große Anzahl der Elemente summiert sich der Hilfsenergiebedarf jedoch zu eine erheblichen Größe.
Der Effekt lässt sich auch durch Feldmessungen immer wieder belegen und tritt als wesentlicher Beitrag zu dem außerhalb der Nutzungszeiten verbleibenden Stand-by-Stromverbrauch des Gebäudes in Erscheinung. Im einer Stichprobe aus größeren Passivhaus-Nichtwohngebäuden in Deutschland werden mehr als 12 kWh/(m²a) für den betreffenden Bereich aufgewendet. Dieser Wert entspricht in etwa dem Nutzenergie-Verbrauch für Heizwärme bzw. der Hälfte des nutzungsbedingten Stromverbrauches in einem Verwaltungsgebäude.
Es handelt sich somit um einen sehr ernst zu nehmenden Sektor, eine Verminderung des Hilfsenergiebedarfs von Automationssystemen erscheint dringend geboten.

Da Nichtwohngebäude zumeist intermittierend betrieben werden, können weite Teile des Automationssystems in der Stillstandsphase prinzipiell auch abgeschaltet werden. Hieraus würde sich bereits ein erhebliches Einsparpotential ergeben.

Dringend wünschenswert wäre darüber hinaus eine grundlegende Verbesserung bei der Energieeffizienz der eingesetzten GA-Komponenten. Bereits die Auswahl von besser an den Verbraucher angepassten und effizienteren Netzteilen birgt ein großes Potential. Auch die Installation eines eigenen Kleinspannungsnetzes (24 V) in Kombination mit hochwertigen, dann gut ausgelasteten Netzteilen stellt eine hilfreiche Herangehensweise dar. Die im Rahmen des Ecodesign Prozesses auf EU-Ebene betriebenen Vorarbeiten für ein Energielabelling sind aktuell (2023) noch nicht abgeschlossen. Ob sich hier ambitionierte Vorgaben durchsetzen können bleibt abzuwarten. Die Vorgaben müssen sich dabei an einem budgetierten Ansatz in Abhängigkeit vom jeweiligen Funktionsumfang eines Gerätes orientieren.

Die Tabelle zeigt musterhaft, wie eine solche Klassifizierung aussehen könnte.

Die Messung einer Größe, Berechnung einer Regelschleife und Ausgabe des Regelsignals, die Schaltung eines Verbrauchers und die digitale Kommunikation mit einem Netzwerk bzw. der Management- und Bedienebene (MBE) können hier berücksichtigt werden. Hierfür sollte eine Effizienzbetonte, dabei realistische und einfach anwendbare Bewertungsmethodik ausgearbeitet werden.

Die Entwicklung der Smartphones hat belegt, dass hohe Rechenleistung bei Bedarf zur Verfügung gestellt werden kann und außerhalb dieser Zeiten dennoch ein extrem energieeffizienter Betrieb mit Batterieversorgung möglich ist. Die entsprechenden Technologien sind also vorhanden und müssten lediglich für Automationsstationen adaptiert werden. Für die Kommunikation in einem komplexen (IP-) Netzwerk und die Fern-Konfiguration von Automationsstationen kann kurzzeitig eine nennenswerte Rechenleistung erforderlich sein, während die Berechnung üblicher Regelschleifen nur geringe Anforderungen stellt. Noch weniger anspruchsvoll ist die periodische Erhebung von Messwerten.

Eine gewichtige Rolle beim Einsatz von elektrischer Energie in Automationsstationen spielen Relais zur direkten oder indirekten Schaltung von Verbrauchern. Um den Arbeitskontakt einzuschalten ist ein kontinuierlicher Stromfluss (entsprechend ~0.2…1 W) in der Magnetspule erforderlich. Da viele Lasten in Gebäuden über lange Zeiträume eingeschaltet bleiben (z.B. Pumpen) kann hier ein erheblicher Energieeinsatz und auch ungewünschte Wärme anfallen. Im Gegenzug sind die üblichen Relais preiswert, zuverlässig und fallen bei Stromausfall in einen definierten Zustand zurück.
Eine Effizienzverbesserung beim Einsatz üblicher Relais ist leicht möglich indem der Spulenstrom nach dem Einschalten abgesenkt wird- das bloße Halten des Magnetankers erfordert nicht den vollen Strom. Dies kann flexibel durch einen Betrieb mit Pulsbreitenmodulation (PWM) oder auch durch die Beschaltung mit einem seriellen Widerstand und einem parallelen Kondensator einfach erfolgen und bereits mehr als 60% des Energieverbrauchs für die Relais einsparen. Die etwas geminderte Vibrationstoleranz fällt bei Anwendungen in Gebäuden nicht ins Gewicht.
Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz bistabiler Relais, die durch Strompulse umgeschaltet werden, dann aber den Schaltzustand stromlos beibehalten. Sie sind teurer als die üblichen, monostabilen Relais, reduzieren den Energieaufwand jedoch konsequent auf einen minimalen Betrag.
Elektronische Relais (solid state relay) können annähernd leistungslos geschaltet werden und besitzen keine beweglichen Teile. Auch kehren sie bei Netzausfall in einen definierten Zustand zurück und können ihren Schaltzustand innerhalb einer Sekunde mehrfach ändern. Dennoch sind sie für die Gebäudeautomation wenig interessant, da sie eine Verlustleistung von einigen Prozent der Last aufweisen. Sie setzen also einen erheblichen Teil des geschalteten Stroms in Wärme um und benötigen entsprechen einen Kühlkörper. Kommende Halbleitergenerationen auf Basis von Siliziumcarbid lassen eine deutliche Verringerung diese Verluste erwarten. Für langfristig geschaltete Lasten bleibt es aber zunächst bei den grundsätzlichen Vorteilen mechanisch geschalteter Relais.

Für Stellantriebe aller Art ist der Standby- bzw. Haltezustand zumeist für die Effizienzbewertung maßgeblich. Fahrvorgänge sind selten und erfolgen nur langsam. Der Energiebedarf für einen vollen Fahrvorgang sollte dennoch bekannt sein, um den Energieverbrauch für eine bestimmte Anwendung abschätzen zu können.
Beim Betrieb von Pumpen und Ventilatoren mit EC Motor sollte beachtet werden, dass die Außerbetriebsetzung nicht bloß durch ein Ansteuersignal von „0 V“ erfolgt, da die Leistungselektronik einen nennenswerten Standby-Stromverbrauch aufweist. Eine Trennung vom Netz ist die bessere Alternative. Die Anpassung der Pumpleistung an den Bedarf, etwa durch eine Druck- oder Durchflussregelung ist heute bereits üblich und sollte in jedem Fall genutzt werden.

Für Raumbediengeräte gelten ähnliche Leitlinien wie für die damit angesteuerten Automationsstationen: Sie sind über den größten Teil der Zeit nicht aktiv und müssen daher über effektive Stromspar-Mechanismen verfügen. Prozessoren sollten entsprechende Tiefschlaf-Zustände einnehmen; Ein wesentlicher Teil der Leistung wird auch für immer größere, bunte Displays aufgewendet. Der Raumnutzer beachtet und benötigt diese nur in größeren Abständen. Kleine, monochrome LCD sind hier im Vorteil. E-ink Anzeigen können auch großflächig eingesetzt werden und attraktiv aussehen. Sie benötigen Energie nur zur Änderung der Anzeige und erfordern auch keine Hintergrundbeleuchtung. Neue Entwicklungen ermöglichen mehrfarbige und sogar bunte Anzeigen mit dieser Technik.

Die Vernetzung von GA-Komponenten ist unerlässliche Voraussetzung für die Funktion als System. Der Energieeinsatz für den Betrieb der Netzwerk-Komponenten (Stockwerksverteiler/Switches etc.) ist erheblich. Sowohl Investition als auch Betriebskosten für die Systeme sind bedeutend. Dabei stellen GA-Systeme zumeist nur geringe Anforderungen an die Bandbreite. Es ist somit sinnvoll die Gebäudeau-tomation in die ohnehin erforderliche physische IP-Netzwerk-Infrastruktur einzubinden um eine hohe Ausnutzung des Systems zu erzielen und nicht zwei Systeme parallel betreiben zu müssen.

Von einer Effizienzverbesserung der GA-Komponenten gehen auch sekundäre Wirkungen aus. Offensichtlich sind die bei vermindertem Stromverbrauch sinkenden Betriebskosten; Aber auch Planung und Ausführung können bei geringeren Wärmelasten einfacher werden. Schaltschränke müssen nicht belüftet oder gar gekühlt werden, ein kompakterer Aufbau wird möglich. Auch die Lebensdauer elektronischer Komponenten verlängert sich mit sinkender Umgebungstemperatur.
Für die Neuentwicklung könnte der Leitsatz lauten: „Konstruiere jede Schaltung so, als würde sie mit Batterien betrieben und lerne von Mobilgeräten“.

Für jede Messaufgabe ist eine angemessene Messunsicherheit einzuhalten. Um dies im Einzelfall überhaupt bewerten zu können ist die Messunsicherheit zunächst anzugeben. Dies ist derzeit in der Gebäudeautomation nicht üblich und Auskünfte sind nur schwer zu erhalten. Oftmals wird lediglich die Klassifizierung des Sensors angegeben, für ein Platin-Widerstandsthermometer etwa „Klasse B nach EN 60751“. Für die erzielte Messunsicherheit ist die Angabe jedoch ohne Aussage, da die gesamte Messkette aus Sensor, Messleitungen, Konstantstromquelle, Referenzspannung und AD-Wandler mit in die Gesamtunsicherheit eingeht.

Für eine präzise Bestimmung des thermischen Zustandes, sofern er für einzelne Räume bzw. kleinere Raumgruppen herangezogen werden soll, und für die Überprüfung des tatsächlichen Energieverbrauchs wird in der Temperaturmessung eine Messunsicherheit von ≤ ± 0.3 K für gesamte Messkette benötigt. Die Klasse VDI/VDE 3512 A-TGA (basierend auf einem Widerstandsthermometer Klasse A oder AA nach EN 60751) sollte damit die Standard-Ausführung bilden, für besondere Fälle eine verbesserte Klasse „AA-TGA“ (Klasse AA EN 60751 und verbesserte Messelektronik für eine nur halb so große Messunsicherheit) leicht zugänglich angeboten werden (etwa für besondere Regelungsaufgaben in der Betonkerntemperierung).

Hochwertige Messketten weisen eine geringe Drift bei wechselnden Umgebungstemperaturen und im zeitlichen Verlauf auf. Dennoch verändern alle Mess-Schaltungen ihre Eigenschaften, weshalb eine ratiometrische Messung zu bevorzugen ist. Hier steht ein Referenz-Widerstand zur Verfügung, der bei entsprechender Qualität als nahezu unveränderlich angesehen werden kann. Die Messung des Platin-Temperaturfühlers (RTD) erfolgt dann immer im direkten Vergleich zu dem Referenzwiderstand, alle Variationen im Erregungsstrom oder der Referenzspannung am AD-Wandler werden damit ausgeglichen. Auch Messbrücken zur präzisen Überwachung von Temperaturdifferenzen mit zwei Platin-Messwiderständen können eine hilfreiche Ergänzung im Repertoire der Gebäudeautomation darstellen.

Selbst bei hochwertiger Ausführung sollte in regelmäßigen Abständen eine wenigstens stichprobenhafte Überprüfung der Messunsicherheit erfolgen. Dazu müssen die organisatorischen Voraussetzungen in der Planung und Ausführung geschaffen werden, wie etwa die Klärung der Zuständigkeit und eines Budgets. Für alle Messgrößen innerhalb einer Gebäudeautomationsanlage sollte die Angabe von wenigstens Faktor und Summand für die Kalibrierung einfach und nachvollziehbar zu hinterlegen und zu editieren sein.

Dies gilt analog auch für Sensoren für relative Feuchte (± 2 … 3 % typ. Messunsicherheit). Eine besonders hohe Zuverlässigkeit der Messung ist in Mitteleuropa meist nicht erforderlich, dennoch sollte eine übermäßige Abweichung rechtzeitig festgestellt und behoben werden. Ein Aspirations-Psychrometer oder ein Taupunktspiegel liefern eine angemessen verlässliche Referenz hierfür.

Sofern CO₂-Sensoren genutzt werden ist besondere Vorsicht geboten. Preiswerte Sensoren, wie sie für die Gebäudeautomation in Frage kommen, weisen bauartbedingt immer eine erhebliche Drift auf. Eine regelmäßige Kalibrierung ist somit unbedingt erforderlich um die ohnehin vergleichsweise große Messunsicherheit von um ±70 ppm aufrecht zu erhalten und noch größere Abweichungen zu vermeiden. Sofern der Sensor keine geeigneten Einrichtungen zur automatischen Durchführung solcher Korrekturen umfasst, sollte von einem Einsatz abgesehen werden, da eine jährliche Neukalibrierung praktisch kaum realisierbar und sehr kostenintensiv ist.

Moderne CO₂-Sensoren umfassen einen Mechanismus zur selbsttätigen Kalibrierung nach dem Minimalwert innerhalb einer 10-14-Tage umfassenden Messperiode. Dies setzt stillschweigend voraus, dass innerhalb eines solchen Zeitraumes die Außenluftkonzentration durch reichliches Lüften ohne Belegung des Raumes auftritt. Für übliche Passivhaus-Nichtwohngebäude mit intermittierendem Betrieb der Lüftung sollte dieser Zustand im Rahmen der Vorspülphase am Beginn eines jeden Betriebstages eintreten. Hier kann also der Mechanismus seine Wirkung zuverlässig entfalten, anders als etwa in Wohngebäuden, wo eine starke Abhängigkeit von den Gewohnheiten der jeweiligen Bewohner gegeben ist.

Eine besondere Stellung kommt in Passivhäusern den Einstrahlungssensoren zu. Derzeit werden zur Regelung von Verschattungssystemen Helligkeitssensoren auf Basis sehr preiswerter Photodioden eingesetzt. Für jede Himmelsrichtung wird eine eigene Diode vorgesehen, geschützt von einem einfachen Kunststoffgehäuse. Dieser technische Standard ist unzureichend und nicht über längere Zeiträume verlässlich. Alle einzelnen Dioden weisen produktionsbedingt leicht verschiedene Eigenschaften auf und altern auch unterschiedlich. Zudem trübt sich die Kunststoff-Abdeckung mit der Zeit ein, was jenseits von Verschmutzung auch eine bleibende Veränderung der Eigenschaften mit sich bringt.

Ein zuverlässiger Betrieb des Verschattungssytems ist auf solcher Grundlage nicht gesichert möglich und einmal eingestellte Regelparameter müssen später angepasst werden, um die Alterung/Eintrübung der Sensoren auszugleichen. Auch ist es nicht möglich, verlässliche Strahlungsmesswerte für die Betriebsanalyse zu gewinnen, wie sie für energieeffiziente Gebäude wünschenswert ist.
Es erscheint daher zielführend, zukünftig höhere Standards bei der Strahlungsmessung anzustreben. Kalibrierte und Temperatur-kompensierte PV-Referenzzellen mit Glasabdeckung, in Verbindung mit einer hochwertigen Messschaltung, haben das Potenzial für eine preiswerte Alternative.
Mit solchen Sensoren steht dann die Globalstrahlung horizontal für Verschattungssteuerung und Betriebsanalyse in einer hinreichenden Qualität zur Verfügung. Aus dem Messwert kann mit Hilfe eines Himmelsmodells die Einstrahlung auf beliebig orientierte Flächen (z.B. Fassaden) bestimmt und als Eingangswert für eine Steuerung genutzt werden.

Gebäude gehören zu den langlebigsten Investitionsgütern, ein Lebenszyklus kann 100 Jahre leicht überschreiten. Für Komponenten der Gebäudehülle sind 40…60 Jahre Nutzungsdauer üblich, in der technischen Ausstattung 20…30 Jahre.
Auch Gebäudeautomations-Systeme sollten eine Nutzungsdauer von über 20 Jahren erreichen um einen ökologisch nachhaltigen und kostengünstigen Betrieb zu sichern. Hersteller sollten die konstruktive Lebensdauer in Produktunterlagen ausweisen. Ohne eine verlässliche Angabe zur technischen Lebensdauer ist eine seröse Wirtschaftlichkeitsbetrachtung unmöglich. Um eine hohe Lebensdauer zu erreichen, sollten bestimmte kritische Bauteile vermieden oder nur in ausgewählter Qualität eingesetzt werden (z.B. Batterien, Elektrolyt-Kondensatoren).

Die dauerhafte Funktion einer Gebäudeautomations-Anlage wird zu einem erheblichen Teil auch durch die Hard- und, zunehmend, auch der Software einer Management- und Bedienebene beeinflusst. Wird proprietäre Software eingesetzt, kann es sein, dass innerhalb der angestrebten Nutzungsdauer (z.B. 20 Jahre) keine Softwareupdates mehr zur Verfügung stehen, bzw. keine Sicherheitsupdates für das zu Grunde liegende Betriebssystem mehr angeboten werden. Alleine aus Gründen IT-Sicherheit wäre ein solcher Zustand nicht hinzunehmen, was dann einen aufwändigen und teuren Wechsel von Hardware und Software zuzüglich Einrichtungsaufwand erzwingt. Auch sollte die Abhängigkeit von einem einzelnen Lieferanten begrenzt werden.

Benötigt werden also entweder offene Standards für Messwerte und Betriebszustände aus der Vergangenheit sowie für deren Darstellung, um Softwarelösungen unterschiedlichster Anbieter bzw. Software-Generationen unmittelbar kompatibel zu machen. Und/Oder es wird eine von den Nutzern selbst fortlaufend getragene freie open-source Entwicklung angestoßen (z.B. für öffentliche Gebäude, europaweit). Diese könnte über Jahrzehnte zur Verfügung stehen und in ihrem Funktionsumfang über die Zeit immer weiter an die Bedürfnisse der Nutzer angepasst werden, ohne Rücksicht auf Vermarktungsinteressen nehmen zu müssen. Zudem könnte sie für unterschiedliche Plattformen zur Verfügung gestellt werden.

Die Vernetzung von Informationen in der Gebäudeautomation hat ein Potential für eine optimierte Betriebsführung. Gleichzeitig lehrt die praktische Erfahrung, dass nur vergleichsweise einfache, robuste Konzepte eine dauerhaft befriedigende Funktion erbringen. Hier gilt es stets abzuwägen und im Zweifel für die einfachere Variante zu optieren. Eine kritische Analyse von möglichen Unterbrechungen in den Informationsketten und deren Folgen ist geboten, verbunden mit einer Vorsorge für den jeweiligen Fall. Zumindest ein Notbetrieb mit eindeutigen Fehlermeldungen sollte stets gewährleistet werden.

Eine ausführlichere Darstellung zum Thema finden Sie im Protokollband der 59. Sitzung des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser. Wir danken dem Hessischen Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung, vertreten durch die Wirtschafts- und Infrastrukturbank Hessen, für die freundliche Unterstützung dieser Veranstaltung.