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Stand der Technik:
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur messtechnischen und rechnerischen
Erfassung des Energieverbrauches eines Gebäudes nach der Gattung des Hauptanspruches.
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Aus
der
DE 43 19 926 A1 ist
es bekannt, von einem kontinuierlich ablaufenden Prozess ein Rechenmodell
zu bilden, das für
das Verhalten des Prozesses repräsentativ
ist. Berechnet wird hierbei eine Größe, die beim parallel dazu
ablaufenden Prozess leicht messbar ist. Die Rechengröße und die
entsprechende Messgröße werden
einem Subtrahierglied zugeführt,
das aus dem Unterschied dieser beiden Größen ein Fehlersignal generiert,
dessen Zweck darin besteht, das der Rechnung zugrunde liegende Modell
zu korrigieren, damit das Ansprechen des Modells in zufriedenstellender
Weise dem Ansprechen des Prozesses auf eine Eingangsgröße entspricht. Ist
diese Modellkorrektur abgeschlossen, wird im Rahmen der eigentlichen
Regelung des Prozesses das Fehlersignal vom Soll-Signal abgezogen,
um auf diese Weise den Einfluss von Störgrößen zu korrigieren, die auf
den Prozess nicht aber auf das Rechenmodell einwirken. Diese Art
der Modellbildung und der automatischen Berücksichtigung von Störgrößen ist
aber nur bei einfachen Prozessen möglich, bei denen Diskrepanzen
zwischen Mess- und Sollgrößen Anlass
zu eindeutig definierten und automatisierbaren Regelstrategien geben.
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Weiterhin
sind in den Schriften
DE
36 12 121 C2 ,
US 4 274
475 ,
WO 95/24623
A1 und
CH 663
095 A5 weiterer allgemeiner Stand der Technik beschrieben.
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Die Erfindung und ihre Vorteile:
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat demgegenüber
den Vorteil, auf Prozesse anwendbar zu sein, deren Regelung nicht
automatisierbar ist und insb. die Zwischenschaltung menschlicher
Verstandestätigkeit
im Rahmen der Auswahl des geeigneten Rechenmodells und dessen Anpassung
an die Prozessrealität
und im Rahmen der Konzipierung der Konsequenzen aus Abweichungen
der errechneten von den gemessenen Prozessparametern erfordert.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Energieverbrauch
von einem oder mehreren im Gebäuden
angeordneten Energieverbrauchszählern
gemessen. Hierdurch kann zu jedem Zeitpunkt der aktuelle Energieverbrauch
ermittelt, gespeichert und ausgegeben werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der
Energieverbrauch des Gebäudes
von in den Räumen
des Gebäudes
angeordneten Wärmemengenzählern, Kältezählern und/oder
von im Gebäude
angeordneten Stromzählern
erfasst, sodass über
eine Summation der Energieverbrauchswerte der einzelnen Räume der
Energieverbrauch des gesamten Gebäudes ermittelt werden kann.
In von mehreren Mietparteien genutzten Häusern lässt sich dadurch zudem der
Energieverbrauch pro Mietpartei ermitteln. Hierdurch ist es außerdem leicht
möglich,
die Ursache eines außergewöhnlich hohen
Energieverbrauches des Gebäudes zu
ermitteln.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt
die Berechnung des Energieverbrauches des Gebäudes in einem Rechner unter
Berücksichtigung
der Innentemperaturen der Räume
des Gebäudes,
der von Außensensoren
gemessenen Umgebungsbedingungen, der konstruktiven Daten des Gebäudes und
der wärmespezifischen
Eigenschaften der einzelnen Bauteile des Gebäudes. Die messtechnische Erfassung
der Umgebungsbedingungen, wie bspw. Luftfeuchtigkeit, Luftdruck,
Windgeschwindigkeit, Sonneneinstrahlung und Außentemperatur, und die Verwendung
dieser Messergebnisse bei der Berechnung des Energieverbrauches
ermöglicht
nicht nur die Berücksichtigung
dieser auf den Energieverbrauchsprozess einwirkenden Störgrößen, sondern
erleichert auch das Verständnis
der Anzeige des gemessenen und errechneten Energieverbrauchs, wenn
nach einer weiteren vor teilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Anzeige
der gemessenen und der errechneten Energieverbrauchswerte über einen
Drucker erfolgt, wobei die Umgebungsbedingungen, der gemessene Energieverbrauch
und der Energieverbrauch nach einer theoretisch durchgeführten und
rechnerisch simulierten Gebäudesanierung
jeweils in Form einer Kurve gemeinsam über einer Zeitachse als Abszisse dargestellt
werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt
die Berechnung des Energieverbrauches des Gebäudes unter Berücksichtigung
langjährig
gemittelter und normierter Umgebungsbedingungen und normierter Innenraumtemperaturen,
wodurch die Berechnung des Energieverbrauches beschleunigt wird
und sich damit als Grundlage für
kurzfristige Beratungen und Planungen eignet.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt
die Berechnung des Energieverbrauches des Gebäudes unter Berücksichtigung
eines von der beabsichtigten Benutzung der Räume abhängigen Innenklimaprofiles,
das unter Verwendung der in den Räumen angebrachten Innenklimasensoren
für Temperatur
und Luftfeuchtigkeit ermittelbar ist. Ein derartiges Innenklimaprofil kann
sowohl den Komfortbedürfnissen
der Benutzer der Räume
als auch der das Innenklima beeinflussenden Wirkung gewisser elektrotechnischer
Geräte angepasst
werden.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Beispielsbeschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar.
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Zeichnungen:
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Anordnung der zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung erforderlichen
Vorrichtungen zum Erfassen, zur Auswertung und zur Ausgabe von im
Rahmen einer Gebäudesanierung
anfallenden Daten und
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2 eine
beispielhafte Darstellung der mit Hilfe des Verfahrens gemäß der Erfindung
erfassten Daten.
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Beschreibung des Ausführungsbeispieles:
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In 1 ist
schematisch ein Gebäude 1 mit 4
Räumen 2, 3, 4 und
einem Kellerraum 5 dargestellt. In jedem der Räume 2, 3, 4 sind
ein Wärmemengenzähler 6, 7, 8,
ein Kältezähler 9, 10, 11 und
ein Innentemperatursensor 12, 13, 14 angeordnet.
Im Kellerraum 5 befindet sich zusätzlich mindestens ein Stromzähler 15 und
eine Datenerfassungsanlage 16. Zudem ist außerhalb
des Gebäudes 1 ein
als Außentemperatursensor 18 ausgebildeter
Außensensor
angebracht. Vorteilhafterweise ist der Außentemperatursensor 18 in
räumlichem
Abstand zum Gebäude 1 angeordnet,
um den Einfluss des Gebäudes 1 auf
die Temperaturmessung auszuschließen und um hiervon unabhgängige Temperaturwerte
zur fehlerfreien Auswertung aller im Gebäude 1 erfassten Messwerte
zur Verfügung
zu haben.
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Die
Zähler
und Sensoren 6 bis 15 und 18 sind mit
der Datenerfassungsanlage 16 bspw. über elektrische Leitungen 26 und 27 elektrisch
verbunden. Bei einer größeren Anzahl
von Messpunkten bietet sich der Einsatz eines Bus-Systemes an, wozu sich
die aus dem Stand der Technik bekannten Kommunikationsstandarts
LON (Local Operating Network), PROFIBUS nach DIN oder M-Bus (Metering-Bus)
eignen. Soll der Wärmeverbrauch
einer größeren Anzahl
von Gebäuden 1 überwacht
werden, kann eine gebäudeübergreifende
Datenerfassung unter Verwendung zusätzlicher Datenübertragungsmittel 28, 29,
wie bspw. Modems, Mobilfunk oder Internet erfolgen.
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Die
Zähler 6 bis 11 und 15 und
die Sensoren 12, 13, 14 und 18 sind
als Messwandler ausgebildet, die die zu erfassenden Größen in elektrische
Signale umwandeln, welche dann in der Datenerfassungsanlage 16 zwischengespeichert
werden, um anschließend
weiterverarbeitet zu werden.
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Zur
weiteren Verarbeitung der zwischengespeicherten Daten ist die Datenerfassungsalage 16 über die
Datenübertragungsmittel 28 und 29 mit
einem Rechner 19 verbunden, an den wie üblich zur sonstigen Dateneingabe
eine Tastatur 20 und zur Datenausgabe ein Drucker 21 und
ein Bildschirm 22 angeschlossen sind. Zudem kann zwischen
dem Rechner 19 und dem Gebäude 1 eine Rückführungsleitung 30 vorgesehen
sein, um, wie weiter unten näher erläutert wird,
vom Rechner 19 gelieferte Meldungen zum Gebäude 1 zurückzuführen.
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Die
anhand von 1 erläuterte Anordnung ermöglicht es
bspw., die wärmeverbrauchsspezifischen
Daten des Gebäudes 1 zu
erfassen und damit dessen aktuellen Wärmeverbrauch zu errechnen. Gemäß 2 kann
der Wärmeverbrauch 23 bei gleichzeitiger
Darstellung der gemessenen Außentemperatur 24 über die
Zeit aufgetragen und mit Hilfe des Druckers 21 oder des
Bildschirms 22 ausgegeben werden. Wie weiter unten näher erläutert wird, besteht
nun die Möglichkeit,
auf der Basis der gemessenen Außentemperaturen 24,
eines gewünschten
und vorgebbaren Innentemperaturprofiles, der konstruktiven Daten
des Gebäudes 1 und
der wärmespezifischen
Daten der darin verwendeten resp. verwendbaren Materialien mit Hilfe
von Simulationsprogrammen den theoretischen Wärmeverbrauch des Gebäudes 1 zu
errechnen. Werden anstelle der Daten der im Gebäude 1 tatsächlich verwendeten
Materialien die Daten von Materialien in die Rechnung eingesetzt,
die verbesserte wärmespezifische
Eigenschaften haben, kann sich bspw. eine Wärmeverbrauchs-Kurve 25 ergeben,
die den zu erwartenden Wärmeverbrauch
nach einer möglichen
Sanierung des Gebäudes 1 wiedergibt.
Bei der gewählten
Darstellungsform gemäß 2,
bei der der aktuelle Wärmeverbrauch 23 und
der Wärmeverbrauch 25 nach einer
möglichen
Gebäudesanierung
dargestellt sind, ist die zu erwartende Ersparnis an Wärmeenergie und
damit die Sanierungsbedürftigkeit
des betreffenden Gebäudes 1 klar
ersichtlich.
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Allgemein
bietet das Verfahren die Möglichkeiten,
abhängig
davon, wie viel Zeit vor oder nach einer Gebäudesanierung für thermische
Messungen aufgebracht werden kann, zum einen auf der Basis der wärmespezifischen
Eigenschaften der vorhandenen und neuer, im Rahmen einer geplanten
Sanierung zu verwendender Ersatzmaterialien und auf der Basis über Jahre
gemittelter Normaußenklima-Profile und
wunschgemäßer Innenklima-Profile
kurzfristig eine Schwachstellenanalyse des Gebäudes 1, eine Dokumentation
der Sanierungsbedürftigkeit
des Gebäudes 1 oder
eine Kosten-Nutzen-Abschätzung
einer geplanten Gebäudesanierung
zu erstellen. Zum anderen sind längerfristige
Innen- und Außenklima- und
Wärmemengenmessungen
bei der Planung und Kalkulation umfangreicherer Sanierungsmaßnahmen,
aber auch, um den Erfolg oder auch nur, um die Richtigkeit der Berechnung
des Erfolges und der Kalkulation der Kosten einer Sanierung zu dokumentieren,
vorteilhaft. In jedem Fall aber ist eine Darstellung der erfassten
und errechneten Daten gemäß 2 vorteilhaft,
bei der die Kurve 23 den aktuellen Wärme- resp. Energieverbrauch
des sanierungsbedürftigen
Gebäudes 1,
die Kurve 25 den Wärme-
resp. Energieverbrauch nach simulierter oder erfolgter Sanierung
und die Kurve 24 das gemittelte oder aktuelle Außenklima,
bspw. die Außentemperatur
in Abhängigkeit
der Zeit zeigen.
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Das
Verfahren eignet sich auch sehr gut zur Kontrolle der Funktion wärmetechnischer
Anlagen, wie bspw. von Zentralheizungen und Klimaanlagen. Zu diesem
Zweck werden aus den vom Außentemperatursensor 18 und
von den Zählern
und Sensoren 6 bis 15 dem Rechner 19 zugeführten Messwerten
zum einen der reale Energieverbrauch und zum anderen unter zusätzlicher
Verwendung des im Rechner 19 gespeicherten Simulationsprogrammes
der theoretische Energieverbrauch ermittelt.
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In
einem nächsten
Schritt werden der errechnete und der gemessene Energieverbrauch
miteinander verglichen und bspw. unter Berücksichtigung der gemessenen
Außentemperatur
bewertet. Möglich
ist hierbei aber auch, auf der Basis der ermittelten Energieverbrauchs-
und Innenraumklimawerte bspw. den Wirkungsgrad der Zentralheizung
oder der Klimaanlage zu berechnen. Das Ergebnis dieses Schrittes
sind Zwischenwerte, die zu einer Statistik zusammengefasst werden
können
oder als Kennwerte für vorhandene
wärmetechnische
Anlagen verwendet werden können.
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In
einem nächsten
Schritt werden die Zwischenwerte mit Schwellwerten verglichen, und
es wird registriert, ob und wie lange die Schwellwerte von den Zwischenwerten überschritten
werden. Die sich hierbei ergebenden Anzeichen für mögliche Fehler des wärmetechnischen
Systemes, d.h., die Symptome, werden dann in einem weiteren Schritt
logisch miteinander verknüpft
und dahingehend interpretiert, welche Kombinationen von Symptomen
auf welche Fehler bspw. der Zentralheizunganlage oder der Klimaanlage
schließen
lassen.
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Letztlich
erfolgt eine Fehlerausgabe über den
Drucker 21 oder über
den Bildschirm 22, d.h., eine Meldung, bspw. ob und welcher
Defekt der Zentralheizung oder der Klimaanlage vorliegt, oder ob
die Steuerung der Zentralheizung fehlerhaft arbeitet. Diese Fehlermeldung
kann nun über
die Rückführungsleitung 30 zum
Gebäude 1 zurückgeführt und dahingehend
präzisiert
werden, dass zur Bedienung der Zentralheizung vorgesehenes Personal
Korrekturen an der Steuerung der Zentralheizung vornehmen kann.
Um eine einfache Temperaturregelung vorzunehmen, ist es auch möglich, dass
vom Rechner 19 Signale generiert und über die Rückführungsleitung 30 der
Steuerung der Zentralheizung direkt zugeführt werden.
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Die
Ermittlung des Energieverbrauches unter Verwendung aktuell gemessener
und/oder genormter und gemittelter Parameter per Rechner 19 kann
gemäß der VDI-Richtlinie
VDI 2067, gemäß der Norm
DIN 4701, gemäß der Euronorm
EN 832 oder gemäß komplexerer
Simulationsprogramme erfolgen, wozu bspw. das Simulationsprogramm
TRNSYS zählt,
das vom Solar Energy Laboratory der Universität Wisconsin entwickelt wurde.
Im Detail wird auf diese bekannten und dem Stand der Technik zuzurechnenden
Programme, Richtlinie und Normen nicht eingegangen. Es werden im
Folgenden lediglich die VDI-Richtlinie und die DIN-Norm in groben Zügen skizziert.
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Gemäß der VDI-Richtlinie
2067 kann entweder der gebäudetypische
Grundenergiebedarf oder der Energiebedarf bei Berücksichtigung
einer speziellen Gebäudenutzung
ermittelt werden. Berechnet wird hierbei die zum Heizen, zum Kühlen, zum
Befeuchten und zum Entfeuchten erforderliche Energie. Hierbei wird
davon ausgegangen, dass Wärme
bei Transmissionsvorgängen
und bei Lüftungsvorgängen verloren
geht und zu ersetzen ist. Berücksichtigt werden
hierbei ein über
eine längere
Zeit gemittelter Satz meteorologischer Wetterdaten und der errechnete
Stand der Sonne. Es können
aber auch die aktuell gemessene Außenbedingungen in der Rechnung
berücksichtigt
werden.
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Sowohl
bei der Berechnung des Grundenergiebedarfes als auch des nutzungsabhängigen Energiebedarfes
sind Daten über
die Abmessungen und die Orientierung der betreffenden Räume und
des gesamten Gebäudes 1, über die
Physik der Baukonstruktion und über
den Standort des Gebäudes 1 einzugeben.
Konkret sind hierbei Daten über
die Abmessungen der Räume 2, 3, 4 der
Fenster und der Türen, über den
Schichtenaufbau der einzelnen Bauteile, über die thermischen Eigenschaften
der Fenster und der Sonnenschutzeinrichtungen und über die Orientierung
der Außenwände und
Fenster erforderlich. Bei der Berechnung des Grundenergiebedarfes wird
von einer Raumtemperatur von 23°C,
einem konstanten Luftwechsel und von betätigten Sonnenschutzblenden
ausgegangen, sofern Letztere vorhanden sind. Ausgegeben wird als
Resultat der Rechnung der Gebäude-Grund-Energie-Bedarf
für Heizen
und Kühlen.
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Zur
Berechnung eines nutzungsabhängigen Gebäude-Energiebedarfes
zum Heizen, Kühlen,
Befeuchten und Entfeuchten wird zusätzlich entweder ein nutzungsabhängiges und
gewünschtes
Innenraum-Klima-Profil oder die tatsächlich gemessene Innenraum-Temperatur,
ein den Anforderungen entsprechendes Luftstromprofil über der
Zeit, ein Profil innerer Lastveränderungen über der
Zeit und/oder ein Profil gewünschter
Raumfeuchte-Zustände über der
Zeit eingeben. Bei der Anwendung der VDI-Richtlinie zur Berechnung
des Wärmeverbrauches
ist also eine Ausstattung des Gebäudes 1 mit Zählern 6 bis 11 und 15 und
Sensoren 12, 13, 14 und 18 sinnvoll.
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Demgegenüber ist
nach DIN-Norm 4701 lediglich die Berechnung der Normheizlast eines
Gebäudes 1 auf
der Basis normierter Innen- und Außentemperaturen möglich. Auch
hierbei wird davon ausgegangen, dass sich die wegen Wärmeverlustes
aufzubringende Heizlast zusammensetzt aus verlorengegangener und
zu ersetzender Transmissionsheizlast und Lüftungsheizlast. Zur deren Berechnung
erforderlich sind ein Lageplan mit Hinweisen auf Windzutrittsmöglichkeiten
des Gebäudes
und auf die Höhe
der Nachbargebäude.
Erforderlich ist zudem die einer Tabelle entnehmbare Hauskenngröße des betreffenden
Gebäudes 1,
die abhängig
ist von der vorherrschenden mittleren Windgeschwindigeit, von der
Lage des Gebäudes 1 (in
einer Siedlung oder frei ohne Nachbargebäude) und von der Luftdurchlässigkeit
des Gebäudes 1.
Dem Grundriss und den Ansichten des Gebäudes 1 mit Bemaßung sind
die Höhe
der Räume,
die Geschosshöhe
und die Abmessungen der Türen
und Fenster zu entnehmen und in die Rechnung einzugeben. Zudem sind
für die
Berechnung die Wäremleitwiderstände aller
Bauteile, die Art der Fensterverglasung, das Material der Fensterrahmen,
Länge und
Durchlasskoeffizienten der Fensterfugen, evtl. Länge und Dichtigkeit der Fugen von
Fertigbauteilen, das Material der Türen, deren Verglasungsanteile
und Luftdurchlässigkeit
und die Nutzungsart aller Räume 2, 3, 4 erforderlich.
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Konkret
sind die Wärmedurchlasskoeffizienten
aller Wände,
Decken und Fußböden derjenigen Räume 2, 3, 4 zu
ermitteln, deren Heizlasten berechnet werden sollen. Grenzt der
Raum 2, 3, 4 an's Dachgeschoss, ist der Dachraum bei
der Berechung mit einzubeziehen. Tabellen zu entnehmen sind die Norminnen-
und -außentemperatur,
die Hauskenngröße, der
Höhenkorrekturfaktor,
Raumkennzahlen und Fugendurchlasskoeffizienten. Bei Räumen 2, 3, 4 mit
erdberührten
Bauteilen ist die Fußbodenfläche, der
Gebäudeumfang,
die Kellertiefe, die Grundwassertiefe, die Wärmeleitfähigkeit der Erde und die Wärmedurchgangskoeffizienten
für den
Wärmestrom an
die Außenluft
und an das Grundwasser anzugeben. Hierbei ist rechnerisch zu berücksichtigen,
dass die in Kellerräumen 5 aufzubringende
Heizlast herrührt
von Wärmeverlusten über die
Luft und über
das Grundwasser.
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Bei
der Berechnung des Wärmeverbrauches gemäß den oben
angegebenen Regeln können
zur Ermittlung geeigneter Sanierungsmaßnahmen verschiedene Parameter
variiert werden, um auf diese Weise den optimale Sanierungserfolg
zu erzielen. So können
bspw. die Betriebszeiten der Heizungs- oder Kühlaggregate den Zeiten der
aktuellen Nutzung der Räume 2, 3, 4 angepasst
werden, um auf diese Weise eine Reduzierung der Energiekosten zu
erreichen. Die Qualität
wärmetechnischer
Einrichtungen, wie bspw. von Heizungsanlagen, Lüftungsanlagen, Klimaanlagen
oder Solaranlagen kann mittels obiger Berechnungen überprüft werden.
Wärmeverbrauchs-Abrechnungen
können
auf ihre Plausibilität hin überprüft werden.
Es können Änderungen
der Wärmeregelstrategie
durchgespielt werden. Eine Sanierung oder ein Ersatz von wärmetechnischen
Anlagen kann rechnerisch simuliert werden. Letztlich können Kosten-Nutzen-Rechnungen
zu bautechnischen Maßnahmen,
wie das Anbringen zusätzlicher
Einrichtungen zur Wärmedämmung, erstellt
werden.
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Die
verschiedenen rechnerisch durchgespielten Sanierungsmaßnahmen
können
nun hinsichtlich ihrer Rentabilität und ihres Einsparpotentials miteinander
verglichen werden. Dieser Vergleich eignet sich als Grundlage für die Planung
einer durchzuführenden
Sanierungsmaßnahme.
Danach lässt
sich durch eine fortlaufende automatische Erfassung der aktuellen
Verbrauchsdaten der Erfolg der durchgeführten Sanierungsmaßnahmen
aber auch die laufende Energieverbrauchs- und -kostenentwicklung dokumentieren
und belegen.
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- 1
- Gebäude
- 2,
3, 4
- Räume
- 5
- Kellerraum
- 6,
7, 8
- Wärmemengenzähler
- 9,
10, 11
- Kältezähler
- 12,
13,14
- Innentemperatursensor
- 15
- Stromzähler
- 16
- Datenerfassungsanlage
- 17
- Außenwand
- 18
- Außen(temperatur)sensor
- 19
- Rechner
- 20
- Tastatur
- 21
- Drucker
- 22
- Bildschirm
- 23
- aktueller
Wärme-,
resp. Energieverbrauch
- 24
- Außenklima,
z.B. Außentemperatur
- 25
- Wärme-, resp.
Energieverbrauch nach einer Sanierung
- 26,
27
- elektrische
Leitungen
- 28,
29
- Datenübertragungsmittel
- 30
- Rückführungsleitung