Messdatengestützte dynamische Simulation zur Analyse des Energieverbrauchs in Krankenhäusern

Abstract

Mit Hilfe einer energetischen Gebäudesimulation können der Energieverbrauch eines Gebäudes analysiert und Parameter sowie Betriebsweisen mit einem hohen Einfluss auf den Energieverbrauch bestimmt werden. Als Folge können somit beispielsweise Einsparmaßnahmen identifiziert werden. Insbesondere in Krankenhäusern ist die Zusammensetzung der Energiebilanz oftmals nicht bekannt. Zudem liegt häufig ein hohes Energieeinsparpotenzial vor, sodass eine Gebäudesimulation hierzu wichtige Erkenntnisse liefern kann. Mit der großen Diversität ihrer Flächennutzungen und der Komplexität der technischen Anlagen stellen Krankenhäuser jedoch eine Herausforderung für die Simulation dar. Da bisher nur wenige detaillierte Untersuchungen der Energiebilanz von Krankenhäusern durchgeführt wurden, liegen zudem nur wenige Vergleichsdaten vor. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Vorgehen und die Randbedingungen für die energetische Simulation eines Krankenhauses zu erarbeiten. Dazu sollen der Detaillierungsgrad, nötige Eingangsdaten, deren Einfluss auf die Ergebnisse und ein Vorgehen für die Auswertung bestimmt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde der Stand der Forschung zum methodischen Vorgehen bei den einzelnen Arbeitsschritten einer Gebäudesimulation ausgewertet und untersucht, welche für die Simulation eines Krankenhauses relevanten Fragestellungen durch das bisherige Wissen nicht abgedeckt werden und welche Besonderheiten beachtet werden müssen. Die Untersuchung erfolgte anhand einer Fallstudie, in der ein Krankenhaus basierend auf Messdaten energetisch simuliert wurde und Eingangsdaten für die Simulation von Krankenhäusern erarbeitet wurden. Als erster Schritt wurde der nötige Detailgrad für die Einteilung des Gebäudes in thermische Zonen untersucht. Für die meisten Bereiche reicht eine grobe Zonierung nach Himmelsrichtungen aus. Ausnahmen sind Bereiche mit geringem Heizwärmebedarf und mechanisch belüftete Bereiche mit Abluftregelung. Im nächsten Schritt wurden die Beleuchtungsnutzung erhoben, einzelne Geräte vermessen und daraus Raumprofile für typische Räume in Pflege- und Behandlungsbereichen generiert, mit deren Hilfe die Laststrukturen für die Simulation abbildet werden können. Eine Validierung mit gemessenen Verbräuchen einer Abteilung zeigte, dass mit dem Verfahren der reale Verbrauch bis auf eine Abweichung von etwa 5% nachgebildet wird. Weitere Verbrauchsmessungen einzelner Verbraucher komplettieren die erhobene Datenbasis.Weiterhin wurden über Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalysen die Einflüsse der Eingangsparameter auf die Ergebnisse bestimmt und die relevantesten Parameter für verschiedene Bereiche des Krankenhauses identifiziert. Somit wurde der Bestimmung dieser Parameterwerte eine besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Schließlich wurde eine Methodik zur Kalibrierung der Modelle mit Messdaten entwickelt. Dazu wurden die thermischen Energiemengen einzelner Gebäude über mehrere Wochen vermessen, sodass hochaufgelöste Daten für die Kalibrierung zur Verfügung standen. Die Werte der Eingangsparameter mit dem höchsten Einfluss auf die Ergebnisse wurden in einem mehrschrittigen Prozess angepasst, bis die Messergebnisse mit den Simulationsergebnissen übereinstimmten und die Grenzwerte nach ASHRAE für die Kalibrierung eingehalten wurden. Schließlich wurden mit Hilfe des Modells beispielhafte Auswertungen vorgenommen. Es wurden die Energiebilanz des Krankenhauses analysiert und Einsparmaßnahmen untersucht.