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Institut für Gebäude- und Solartechnik Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch

Mühlenpfordtstraße 23 D-38106 Braunschweig

www.igs.bau.tu-bs.de

11th ISES EuroSun 2016 – 13. october 2016, Palma (Mallorca)

Monitoring and process optimization- the Willibald-Gluck-Gymnasium in Neumarkt (i.d.OPF.) Architecture, energy concept, monitoring and process optimization

M.Sc. Oliver Rosebrock

www.igs.bau.tu-bs.de 13.10.2016│ M.Sc. O. Rosebrock │ 11th ISES EuroSun 2016 – 13. october 2016, Palma (Mallorca) │ Seite 2

06|2015 -

05|2018

LA Neumarkt synavision

mondayVision

EnOB: monitoring and process optimization of the Willibald-Gluck-Gymnasium in Neumarkt (i.d.Opf.)

© Büro Berschneider + Berschneider und Fotografin Petra Kellner

R&D Project


Purpose and motivation

• Implementation of school and gym as EnergyPLUS-Buildings, integral and innovative energy concept

• Usage of regenerative Low-Ex heat sources

• Building of an energy laboratory to realize transparency of the energy performance and integration in lesson

• Usage and evaluation of optimized operation strategies with the aims: high energy efficiency and high consumption of self-produced electricity

• Distribution of the experiences and results from planning, construction and operation

Vorführender

Präsentationsnotizen

Projektziel WGG Neumarkt 1. Umsetzung der Schule inkl. Turnhalle als EnergiePLUS Gebäude 2. Dokumentation der Errichtung und des Betriebs des fertiggestellten Demonstrationsprojekts mit innovativem Energiekonzept und Technologien 3. Aufbau und Umsetzung eines Monitoringkonzepts zur Überprüfung und Qualitätssicherung der Energie- und Komfortperformance des Gebäudes 4. Entwicklung und Evaluierung innovativer Betriebsstrategien für Schulgebäude durch folgende Bearbeitungsschwerpunkte: a. hohe Energieeffizienz und Steigerung des Eigenstromanteils durch die Kombination von Photovoltaikanlagen, Batteriesystemen und elektrisch betriebener Sole-Wasser-Wärmepumpe im Energieversorgungskonzept des Gebäudes b. Nutzung regenerativer Low-Ex Wärmequellen (Erdwärme) zur Beheizung des Schulgebäudes und Einsatz innovativer Technologien (Energiepfähle und Agrothermiefeld in Kombination mit Sole-Wasser-Wärmepumpe) c. Sicherstellung des thermischen und hygienischen Innenraumkomforts durch ein zu entwickelndes Monitoringkonzept 5. Anwendung und Implementierung der erarbeiteten Betriebsstrategien und Gegenüberstellung des Einsatzes von Energiepfählen und Agrothermiefeld zur Nutzung des Erdreichs als Wärmequelle 6. Aufbau eines Energie-Labors für die Transparenz der Energieperformance und Einbindung in den Unterricht 7. Verbreitung der Erfahrungen und Ergebnisse aus Planung, Bau und Betrieb


architecture: school and gym Willibald-Gluck Gymnasium with gym, Neumarkt i.d.OPf. Developer: Landkreis Neumarkt 4-storied school building (technics in the attic) About 1.400 pupils NFA about 11.500 m² two internally atria three-field-gym in the Northwest NFA about 2.900 m² reference winter school year 2015/2016


Vorführender


Licht, Transparenz, offene Kommunikation und klare Orientierung sind nur einige der selbst gesetzten Qualitätsfaktoren für Innenarchitektur und Architektur des neuen Gymnasiums. Oberstes Ziel war ein optimales Unterrichtsklima für Schüler und Lehrer zu schaffen. Bunte Glasscheiben, Witterungsschutz für die Öffnungsflügel der Fenster, setzen fröhliche Akzente. Im Inneren wirken Schallabsorber als gestaltende Elemente der Innenarchitektur. Zweitgrößtes Gymnasium Bayernweit bezogen auf die Schüleranzahl


architecture: school and gym


Vorführender


Im gesamten Schulhaus erleben Schüler und Lehrer offene und helle Räume, u.a. durch Durchbrüche in den Innenraum. Es eröffnen sich Licht und Blickbeziehungen für eine offene und kommunikative Schule. Für Tageslicht im Innenbereich sorgen die zwei großen Atrien. Helle Verkehrswege verbinden alle Bereiche, den klassischen langen, dunklen Schulflur gibt es hier nicht. Die Erschließungsflure sind eher wie offene Straßen, an denen sich immer wieder Plätze für offene Kommunikation oder ruhige Nischen zum Rückzug öffnen. 38 Klassenzimmer 14 Kursräume für die Oberstufe 7 Intensivierungsräume 6 Ausweichräume mit 42 m² Turnhalle 900 Sitzplätze


Gas consending boiler 400 kW

Heat pump 42,8 kWth

Buffer storage 3.000 Liter

Gas network Municipal utilities Neumarkt

Bored piles under Schoolbuilding

classrooms thermal activation of building Cooling

Corridor area EG Floor heating

Waste heat of servers

Agrothermie Ground heat collector

Utility room DG Ventilation system

HEAT- AND COLD TRANSFER HEATPRODUCTION AND REFRIGERATION HEAT- AND REFRIGERATION SOURCES

Heat pump 42,8 kWth

Gym Ventilation system

Gym Floor heating Sport floor

Heat exchanger 200 kW

classrooms thermal activation of building heating

Gym Warm water Showers

energy concept heat- and refrigeration concept


Foundation piles below school building as heat source for the heat pumps − Foundation piles necessary for load denudation − Endowing foundation piles with ground collector tubes

− Withdrawal of heat of underground heat pump heating

− In summer: free cooling of class rooms, insertion of heat out of

class rooms in underground soil regeneration

− Enabled foundation piles: 99 piles a 8 to 12 m depth

heat source: foundation piles below school building

Vorführender


Die Erstellung der Bohrpfähle fand im Frühjahr 2013 ohne weitere Komplikationen statt.


Usage of sports ground as heat source for heat pumps − Flat geothermal exchanger on the area of the sports ground

− Withdrawal of heat of underground heat pump heating − In summer: free cooling of class rooms, insertion of heat out of

class rooms in underground soil regeneration

Agrothermie on the sports ground 4.400 m² 90 kW

Heat source Agrothermie – ground collector

Number of strands: 47 strands à 93,5 m Dimension tubes: Da 40 x 3,7 Insertion depth: ca. 2,26 m (ploughing) Collector area: ca. 4.400 m²

Vorführender


Die Fertigstellung des Agrothermiefeldes erfolgte im August 2015. Die neuartige Einbringmethode des Pflügens verlief reibungslos. Aufgrund eines hohen vorgefundenen Grundwasserstands musste in die Gräben der Anbindeleitungen im Nachgang eine zusätzliche Schotterschicht eingebaut werden. Bei den Bohrarbeiten der Anbindeleitungen kam es zu einem Schaden an einer Entwässerungsleitung welcher umgehend repariert wurde. Die Schnittstellenproblematik zwischen Heizungsbauer und Sportplatzbauer hat sich als sehr schwierig herausgestellt. Flacher Erdwärmetauscher im Bereich Sportfeld Entziehung der Wärme des Untergrundes für die �Wärmepumpe zur Heizung Im Sommer frei Kühlung der Klassenräume, Einbringung�der Wärme aus den Klassenzimmern in den Untergrund�Regeneration des Erdreichs


Heat source Creation Agrothermie field


Power concept

Inverter

Public power grid Municipal utilities Neumarkt

PV-System 75 kWp Gym roof

Lighting School und Gym

Heat pumps, circulating pump and regulation

PV-System 216 kWp School roof

Ventilation system and Regulation

ELECTRICAL CONSUMERS DISTRIBUTION AND STORAGE POWER GENERATION

PV-feed

Grid - Purchase

Inverter

VRF-Battery 130 kWh

Battery-inverter

charge discharge

Battery-Management


1.100 €/kWp solar electricity price ca. 10 ct/kWh

PV roof school+gym | 291 kWp

school gym

216 kWp

75 kWp

solar electricity price

PV-system for school and gym

Vorführender


Die PV-Anlage mit einer Gesamtleistung von 291 kWp auf dem Schulgebäude (216 kWp) und dem Turnhallendach (75 kWp) ist seit Juni 2015 in Betrieb (Abbildung 8). Die Erstellung verlief ohne größere Vorkommnisse.


PV-system PV-income and percentage of self-consumption

Monthly PV-income in period from 17.06.15 to 18.03.16

PV-income: 173.130 kWh (= 595 kWh/kWp) PV-self-used: 117.997 kWh PV-percentage of self-consumption: 68 %

PV-income M

onth

ly P

V-in

com

e [k

Wh/

Mon

th]

Vorführender


Die PV-Anlage mit einer Gesamtleistung von 291 kWp auf dem Schulgebäude (216 kWp) und dem Turnhallendach (75 kWp) ist seit Juni 2015 in Betrieb (Abbildung 8). Die Erstellung verlief ohne größere Vorkommnisse. Im Diagramm ist der monatliche PV-Ertrag der gesamten PV-Anlage mit 291 kWp vom Zeitraum 17.06.15 bis 18.03.16 dargestellt. Seit Inbetriebnahme beträgt der erzeugte PV-Ertrag rund 173.130 kWh. Davon wurden rund 117.997 kWh in der Schule verbraucht, was einem PV-Eigennutzungsanteil von rund 68 % entspricht.


Specification CellCube FB 30-130: Electrical storage capacity: 130 kWh Usable capacity: 100 % max. charging capacity: 30 kWp max. discharging capacity: 30 kWp Weight filled system: 14.000 kg Commissioning CellCube: Oktober 2015 Entire charging capacity after about 5 h at 26 kWp Covers the average daily consumption of 12 detached houses

Electricity battery at WGG Vanadium Redox - Battery

1 negative storage-tank 2 positive storage-tank 3 Electrochemical cells

4 fluid pump 5 Inverter 6 Battery management system

Vorführender


solarer PV-Eigennutzungsanteil: 65 % PV-Einspeisung ins Netz: 35 % solarer Deckungsanteil: 40 % Netzstrombezug: 60 % Die Aufstellung und Inbetriebnahme der VRF-Batterie der Firma Gildemeister erfolgte im Zeitraum September bis Oktober 2015 Dezember 2015 ihren Betrieb aufnehmen Im Januar und Februar 2016 fanden noch vereinzelte Anpassungen der internen Batterieregelung statt. Seit März 2016 läuft die planmäßige Regelung und Beladung / Entladung der Batterie.


Vanadium Redox - Battery Supply and commissioning

Vorführender


Die Aufstellung und Inbetriebnahme der VRF-Batterie der Firma Gildemeister erfolgte im Zeitraum September bis Oktober 2015. Der Anschluss bzw. die Einbindung der Batterie ins Stromnetz der Schule und Turnhalle erwies sich als schwierig. Nach mehreren Abstimmungsgesprächen mit der Elektrofirma, welche für die Installationen in der Schule und Turnhalle verantwortlich ist, konnte die VRF-Batterie im Dezember 2015 ihren Betrieb aufnehmen. Während der Planung, Montage und Inbetriebnahme der VRF-Batterie kam es zu Abstimmungspunkte / Schnittstellen mit der Landschaftsarchitektur und den Gewerken Elektrotechnik und Landschaftsbauer


• Complete commissioning monitoring

− Analysis of energy performance, thermal comfort and self-consumed electricity

• Development of operation strategies

− Simulation of some operation strategies to optimize the energy efficiency e.g. efficient usage of the regenerative Low-Ex heat sources

− Parameter study to increase the percentage of self-consumption

• Active operation manual

− Web-based platform for specification and error detection in operation

− Validation of different operation- and regulation strategies (energy navigator)

− Realisation and testing of acquired operation strategies

− Continuous virtual test bench of building performance loaded quality factor

Perspective

Vorführender


Verzug bei der Inbetriebnahme des Monitorings Mess - und Monitoringkonzept Aufbau und Umsetzung eines Monitoringkonzepts zur Überprüfung und Qualitätssicherung Festlegung von Zielindikatoren / Infrastruktur zur Überprüfung und Bewertung von Betriebs- und Regelstrategien Aktive Funktionsbeschreibung Aktive Funktionsbeschreibung praktische Umsetzung der "Aktiven Funktionsbeschreibung“ im Energie-Navigator webbasierte Plattform zur Spezifikation und Fehlererkennung im Betrieb Validierung verschiedener Betriebs- und Regelstrategien Visualisierung der aufgezeichneten Betriebsdaten, der Energieperformance und des Innenraumkomforts im Schulgebäude – für Schüler, Lehrer, Betreiber und Bauherr Lernplattform für Schüler und Lehrer - Transparenz und Akzeptanz der Gebäudeperformance


Integration of pupil and teacher

• Transparency and acceptance of building performance

− Aim: Visualisation of monitored operation data, of the energy performance and of the thermal comfort in the interior of the school building – for pupil, teacher, operator and developer

− Learning platform / Energy laboratory (energy navigator) for lesson

− Workshops for senior class pupil

− Visualisation monitoring for pupil and teacher

Vorführender


Durch die Visualisierung der aufgezeichneten Daten soll die Energieperformance und der Innenraumkomfort im Schulgebäude den Schülern und Lehrern transparent gemacht werden. Die Bearbeitung und Analyse erfolgt im Rahmen der Einrichtung eines Energielabors für den Schulunterricht. Workshops: Vorstellung Anlagentechnik der Schule, Auswertungsmöglichkeiten Projektthemen vorgestellt und abgestimmt Einführungskurs in den Energie-Navigator Leider können die Schüler derzeit nur auf sehr wenige Messdaten zurückgreifen und sehr eingeschränkte Auswertungen vornehmen. Als Ersatz hat das IGS eigene Messtechnik aus seinem Laborbestand gestellt. Im März 2016 liefen in zwei Klassenzimmern Messreihen über jeweils 2 Wochen zur Temperatur und Luftfeuchtigkeit mit den vom IGS gestellten Hobo-Datenloggern (onset). Eine weitere Schülergruppe beschäftigt sich mit dem Lastprofil der Schule. Eine dritte Gruppe erforscht das Einlesen der Temperatur- und Feuchtedaten aus einem Sensor in einen Raspberry Pi und designt an einer Webseite, auf der die Werte dargestellt werden sollen. Lernplattform / Energielabor (Energienavigator) Seminar für Oberstufe in Physik / 2. Workshops mit den Schülern durchgeführt März 2016 Messreihen in zwei Klassenzimmern über jeweils 2 Wochen zur Temperatur und Luftfeuchtigkeit Teilnahme am Schülerwettbewerb Vision-Ing21


4. Workshop - Energieeffiziente Schulen – 13. Juni 2016, Rostock

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