Zurück

Inhalte

Weiterentwicklung von Verfahren für die Bewertung der Energieeffizienz von Beleuchtungsanlagen im Rahmen der EnEV-Methode einschließlich der Festlegung von Mindestanforderungen

Projektbeschreibung

Projektbeteiligte

Eckdaten

Weiterentwicklung von Verfahren für die Bewertung der Energieeffizienz von Beleuchtungsanlagen im Rahmen der EnEV-Methode einschließlich der Festlegung von Mindestanforderungen


Projektnummer
Projektbeginn
06.2012
Projektende
09.2012
Projektstatus
abgeschlossen mit Bericht

Teilprojekt 1

Wartung von Beleuchtungsanlagen

Ausgangslage

Die Wartung von Beleuchtungsanlagen hat einen signifikanten Einfluss auf den Beleuchtungsenergiebedarf. Bei der Planung von Beleuchtungsanlagen und ihrer energetischen Bewertung muss die Wartung daher hinreichend genau in Abhängigkeit relevanter Einflussgrößen, wie erwartete Verschmutzung der Räume sowie Lampenwechselintervalle, vorgesehen werden.

Der für die energetische Bewertung maßgebliche so genannte Wartungsfaktor kann bis dato nur ungenau bestimmt werden, bzw. die publizierten Werte stellen sich in der Praxis als deutlich zu hoch heraus. So werden pauschal Werte von 0,67 empfohlen, wogegen sich in der Praxis durchaus Werte zwischen 0,8 und 0,9 nachweisen lassen. Dies entspricht einer Unschärfe in der energetischen Bewertung von etwa 40%, was in der Praxis einer entsprechenden energieineffizienten und klimaschädlichen Überinstallation gleichkommt.

Aufgabenstellung des Teilprojektes war die Messung und Bestimmung von Wartungsfaktoren für verschiedene Nutzungsarten, die Ermittlung repräsentativer Standardwerte sowie die Entwicklung eines einfachen Ermittlungsverfahrens des Wartungsfaktors für die Praxis.

Konzept

Zunächst wurde eine Analyse des vorliegenden CIE-Schrifttums bezüglich des bisherigen Berechnungsverfahrens durchgeführt. Neben Messungen im Projektzeitraum an Referenzanlagen (auch an Anlagen, die von an dem Projekt assoziierten Herstellern installiert wurden) wurden geförderte EnOB-Vorhaben (speziell aus dem Solarbau-Monitor-Programm) hinzugezogen. Bei gegebener Datenverfügbarkeit dieser Vorhaben wurde aus aufgezeichneten Beleuchtungsstärken und Wartungsinformationen der Anlagen die Abnahme des Lichtstroms über die Zeit erfasst und in die Ermittlung der einfachen Kennwerte und eines einfachen Ermittlungsverfahrens mit eingekoppelt.

Ergebnisse

Die im Rahmen dieses Teilprojektes durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass für den Wert des Wartungsfaktors bezüglich sehr sauberer Räume wie Nichtraucherbüros ein Wert von 0,9 und sauberer Räume wie Büros und Schulklassen ein Wert von 0,8 eingesetzt werden kann.

Der methodische Ansatz und die festgelegten Systemkennwerte ermöglichen, den Wartungsfaktor für künstliche Beleuchtungsanlagen vereinfacht zu ermitteln. Derartig bereitgestellte Standardwerte des Wartungsfaktors können unmittelbar in dem Verfahren der DIN V 18599 zur Ermittlung der elektrischen Bewertungsleistung genutzt werden. Die elektrische Bewertungsleistung hat einen direkten Einfluss auf den Gesamtenergiebedarf für die Beleuchtung.

Teilprojekt 2

Wartungswertgeführte Konstantlichtregelung

Ausgangslage

Den Gebäudemanagementsystemen, im speziellen auch den Lichtmanagementsystemen, wird oft ein hohes energetisches Einsparpotenzial zugeordnet. Dabei erfüllen diese die eigentliche Steuer- und Regelfunktionen nur mit eingeschränkter Güte/Wirkung und damit eingeschränkter energetischer Effizienz. Stand-by-Funktionen setzen weitere nicht dem eigentlichen Nutzen zugeordnete Energie um. Mit einer Lichtregeltechnik ausgestattete künstliche Beleuchtungssysteme gestatten eine automatische Führung nach dem Wartungswert der Beleuchtungsstärke. Die Überinstallation (Neuwert der Beleuchtungsstärke = Wartungswert der Beleuchtungsstärke / Wartungsfaktor) kann somit ausgeregelt und der bereitgestellte Lichtstrom auf das notwendige Maß reduziert werden.

Im vorliegenden Teilprojekt wurde untersucht, welche Möglichkeiten und Potenziale im Einsatz einer wartungswertgeführten Konstantlichtregelung zur Beeinflussung des Energieumsatzes von Gebäuden bestehen und inwiefern diese Art der Beleuchtungsregelung wirtschaftlich umsetzbar ist.

Konzept

Zu Beginn wurde die energetische Effizienz von Konstantlichtregelungen unter Berücksichtigung der Dimmcharakteristik von Leuchtstofflampen ermittelt und mit den Ergebnissen verglichen, die nach der bisherigen linearen Zunahme der relativen Leistungsaufnahme von Beleuchtungsanlagen innerhalb der Wartungsperiode berechnet wurden. Vor allem wurden dabei die Modelle der TU Berlin zur Ermittlung des Energieeinsparpotenzials (Systempotenzial) von Regelungs- und Steuerungssystemen herangezogen, die bereits in die Bewertungsfaktoren nach DIN V 18599 für tageslichtabhängige Regelsysteme eingeflossen sind.

Eine geeignete Messprozedur vor Ort zur Ermittlung der einzelnen Einflussparameter wurde auf der Grundlage einer dezentralen Messtechnik definiert und die Messtechnik für langzeitige Messungen installiert. Die anschließende Analyse der gewonnenen Daten und der detaillierten Berechnungen ergaben die repräsentativen Standardwerte und ein modifiziertes einfaches Verfahren zur Ermittlung der Energieeinsparung von Regelungs- und Steuerungssystemen unter Berücksichtigung der Konstantlichtregelung und des Wartungsfaktors (Regressionanalyse).

Ergebnisse

Bei einer wartungswertgeführten Konstantlichtregelung ist aufgrund der Dimmcharakteristik von Leuchtstofflampen der Energiebedarf einer künstlichen Beleuchtung mit einem niedrigen Wartungsfaktor deutlich größer als bei einer Beleuchtungsanlage mit hohem Wartungsfaktor. Daher ist für einige Nutzungsarten wie z.B. öffentliche Parkhäuser eine Beleuchtung mit einem hohen Wartungsfaktor und mit Konstantlichtregelung zu empfehlen.

Eine tageslichtabhängig geregelte Beleuchtungsanlage enthält nahezu die gleiche Kontrollelektronik und ist damit auch als Konstantlichtregelung geeignet. Außerdem weist sie ein größeres Energieeinsparpotenzial auf. Für die DIN V 18599 wurden technische Ausstattungen zu unterschiedlichen Nutzungsarten empfohlen.

Teilprojekt 3

Referenzgröße Tageslicht

Ausgangslage

Das Referenzgebäudeverfahren der EnEV 2009 honoriert die bauliche Optimierung der mit Tageslicht versorgten Flächen in einem Gebäude gegenwärtig nicht, da das Referenzgebäude diese Fläche des nachzuweisenden Gebäudes übernimmt. Durch die Spezifikation einer "Referenzgröße Tageslicht" im Referenzgebäude kann sich das nachzuweisende Gebäude hinsichtlich der Tageslichtversorgung von dem Referenzgebäude abheben, so dass ein Anreiz zur Optimierung geschaffen wird.

Die Aufgabenstellung des Teilprojektes bestand in der Entwicklung einer "Referenzgröße Tageslicht", welche in Referenzgebäudeverfahren (wie nach EnEV) zukünftig die konkrete Berücksichtigung der Tageslichtversorgung ermöglicht. Dadurch können einfach Anreize zur Optimierung der natürlichen Beleuchtungsverhältnisse in Gebäuden geschaffen werden.

Konzept

Aufgrund einer Untersuchung des Referenzgebäudeverfahrens und der Auswertung der gegenwärtig für das Referenzgebäude definierten Größen wurden der Anteil der mit Tageslicht versorgten Fläche an der Zonenfläche ATL,i/ANGF,i und der Rohbau Tageslichtquotient DRB bzw. im Falle einer Beleuchtung durch Oberlichter der mittlere Tageslichtquotient als für die Referenzgröße Tageslicht geeignete Kenngrößen identifiziert.

Der Anwendungsbereich der Referenzgröße Tageslicht wurde aus den normativen Anforderungen an die Tageslichtbeleuchtung abgeleitet. Es wurden 14 von 33 Nutzungsprofile der DIN V 18599-10 : 2007:2 bestimmt, in denen die Nutzung des Tageslichts zum Stand der Technik gehört. Nur auf diese 14 Nutzungsprofile soll die Referenzgröße Tageslicht angewendet werden. Der für das Referenzgebäude vorgeschlagene Rohbau Tageslichtquotient von 5% wurde aus den Anforderungen an die Mindestfenstergröße in DIN 5034 abgeleitet. Dieser Wert entspricht bei der Bewertung nach DIN V 18599-4 der Klassifizierung "mittlere Tageslichtversorgung". Die mit Tageslicht versorgte Grundfläche wurde abhängig vom Nutzungsprofil mit 100% oder mit 80% der Nettogrundfläche der Zone angesetzt.

Um die Wirkung einer intensiven Verbauung hinsichtlich der Referenzgröße Tageslicht zu neutralisieren, wurde eine Änderung der nach EnEV 2009 Anlage 2 Tabelle 3 gegebenen Option, den Verbauungsindex IV zu 0,9 zu setzen, vorgeschlagen.

Ergebnisse

Zur Evaluierung der Referenzgröße Tageslicht wurde der Energiebedarf der Beleuchtung in einer Reihe typischer Räume für den Ist-Zustand, für das Referenzgebäude mit und ohne Referenzgröße Tageslicht, sowie für eine Ausstattung der Fassade mit einer Mindest-Fenstergröße bilanziert. Der durch die Referenzgröße Tageslicht referenzierte Rohbau Tageslichtquotient von 5% wurde in den betrachteten Fällen mit der Mindest-Fenstergröße generell erreicht oder überschritten, wenn das Fenster unverbaut war. Auch hinsichtlich des Anteils der tageslichtversorgten Fläche bestätigte die Untersuchung das gewählte Modell, da die Referenzgröße Tageslicht nur in Fällen defizitärer Tageslichtbeleuchtung nicht erreicht wurde.

Der Energiebedarf der Beleuchtung im realen Gebäude bewegte sich in den untersuchten Fällen zwischen 86% und 119% des Energiebedarfs im Referenzgebäude mit Referenzgröße Tageslicht.

Da sich die Referenzgröße Tageslicht an dem ohnehin erforderlichen Grad der Tageslichtversorgung orientiert, ist eine Beeinträchtigung der Wirtschaftlichkeit des Bauens nicht gegeben, solange davon ausgegangen wird, dass Mindestkriterien tatsächlich eingehalten werden. Es wurde gezeigt, dass die vorgeschlagene Referenzgröße Tageslicht den Energiebedarf anderer Gewerke lediglich über den Energiebedarf der Beleuchtung beeinflusst. Eine erhebliche Beeinflussung des Energiebedarf der Kühlung ist nicht gegeben.

Das vorgeschlagene Modell hat für Gebäude mit guter Tageslichtversorgung ein relatives Ansteigen des Endenergiebedarfs im Referenzgebäude zur Folge. Bei mittlerer Tageslichtversorgung verhält es sich neutral, während eine geringe bzw. defizitäre Tageslichtversorgung zu einem relativ geringeren Endenergiebedarf im Referenzgebäude führt. Damit sinkt das Anforderungsniveau für Gebäude mit guter Tageslichtversorgung, während es für Gebäude mit geringer bzw. defizitärer Tageslichtversorgung steigt.

Damit das Anforderungsniveau bei Einführen der Referenzgröße Tageslicht im Falle einer guten Tageslichtbeleuchtung neutral bleibt, wird die Einführung des Kontrollsystems "tageslichtabhängig Ausschalten" als Referenztechnik für diejenigen Zonen, in denen das Nutzungsprofil eine Referenzgröße Tageslicht vorsieht, vorgeschlagen.

Teilprojekt 4

Innovative Dachoberlichter

Ausgangslage

Gebäude über Dachoberlichter natürlich zu belichten, ist lichttechnisch, energetisch und wirtschaftlich die effizienteste Art der Tageslichtnutzung. Dachoberlichtflächen, die über das ganze Jahr eine gute Tageslichtversorgung sicherstellen sollen, führen jedoch im Sommer möglicherweise zu Blend- und Erwärmungsproblemen durch solare Einstrahlung in den darunter liegenden Räumen. Technische Lösungen für Verschattungssysteme für Dachoberlichter, die bei direkter Besonnung aktiviert werden, werden mittlerweile am Markt angeboten. Ungleich der Bewertungsmethodik vertikaler Fassaden existieren für derartige Systeme weder Rechenmethode noch Rechenwerte.

Aufgabenstellung des Teilprojektes war die Entwicklung einer entsprechenden Rechenmethode in Abstimmung mit dem Bewertungsmodell für vertikale Fassaden nach DIN V 18599-4 und Ermittlung repräsentativer Systemkennwerte durch Berechnung und/oder Messung.

Konzept

Zunächst erfolgte eine Analyse des vorliegenden Schrifttums bzgl. des bisherigen Bewertungsverfahrens für Dachoberlichter, welches der DIN V 18599 zu Grunde liegt. Im Anschluss erfolgte eine ergänzende Analyse der bereits umgesetzten entsprechenden Verfahren zur Bewertung von dynamischen Vertikalfassaden (Fassaden mit Sonnenschutzsystemen) in der DIN V 18599-4. Hierauf basierend wurde ein methodischer Ansatz entwickelt, welcher es ermöglicht, aus detaillierten Berechnungen unter Berücksichtigung der Photometrie der Dachoberlichtkomponenten vereinfacht die relative Nutzbelichtung in den angrenzenden Räumen zu ermitteln. Hierbei wurde auf am Fraunhofer-Institut für Bauphysik entwickelte numerische Verfahren zur Ermittlung der relativen Nutzbelichtung zurückgegriffen.

Ergebnisse

Ergebnis ist ein methodischer Ansatz inklusive ausgewählter Systemkennwerte, welcher es ermöglicht, unter Berücksichtigung der Photometrie der Dachoberlichtkomponenten vereinfacht die relative Nutzbelichtung in den angrenzenden Räumen zu ermitteln. Die derartig bereitgestellten relativen Nutzbelichtungen für die Zustände "Sonnenschutz aktiviert" und "Sonnenschutz nicht aktiviert" können unmittelbar in dem Verfahren der DIN V 18599 als Tageslichtversorgungsfaktoren zur Bewertung der Tagesversorgung durch Dachoberlichter auf den Gesamtenergiebedarf für Beleuchtung genutzt werden.

Teilprojekt 5

Festlegung von Mindestanforderungen an Beleuchtungsanlagen

Ausgangslage

Im Rahmen dieses Teilprojektes waren im Kontext der Teilprojekte 1 bis 4 Mindestanforderungen an die Beleuchtung zu entwickeln. Darüber hinaus war eine Analyse des Energieeinspargesetzes hinsichtlich möglicher weiterer Anforderungen an die Beleuchtung durchzuführen. In der Potentialanalyse waren für den Verordnungsgeber geeignete Vorschläge für Anforderungen an die Energieeffizienz der Beleuchtung von Nichtwohngebäuden zu entwickeln und mit einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zu hinterlegen.

Konzept

In Anlehnung an Ansätze aus der Heizungstechnik wurde das Konzept der Aufwandszahlen für Beleuchtung aufgestellt. Hierbei waren Konventionen bzgl. der energetischen Bewertung von Licht (Lampenspektren) und Lichtverteilungen in Räumen zu treffen. Die Methodik wurde ausgearbeitet, an umfassenden Beispielen erprobt und in das Verfahren der DIN V 18599-4 integriert. Nach Nutzungsart differenziert wurden typische beleuchtungstechnische Ausstattungen analysiert und zusammengetragen.

Aus einer Analyse der EnEV im Bereich Beleuchtung wurden verschiedene Empfehlungen entwickelt. So wurde beispielsweise ein Vorschlag zur Anpassung des Referenzgebäudeverfahrens mit einhergehender Erhöhung der energetischen Effizienz in der Beleuchtung entwickelt. Für den Bestand wurden gekoppelte energetisch-wirtschaftliche Betrachtungen durchgeführt und verschiedene Herangehensweisen für mögliche Anforderungen zur Außerbetriebnahme alter Beleuchtungsanlagen konzipiert.

Ergebnisse

In dem Teilprojekt wurde die Systematik der Aufwandszahlen neu entwickelt und in die Überarbeitung der DIN V 18599 eingebracht. Konkrete Vorschläge für die Überarbeitung des Referenzgebäudes im Bereich der Beleuchtung wurden erarbeitet. Wege, den Sanierungsstau in der Bestandsertüchtigung von Beleuchtungsanlagen in der EnEV zu fassen, wurden aufgezeigt. Es wurde ein Lösungsvorschlag zum Umgang mit nicht fest installierten Beleuchtungssystemen in Innenräumen aufgezeigt.

Teilprojekt 6

Vergleichende Bewertung von Beleuchtungsanlagen für Büroräume

Ausgangslage

Generell drängen zurzeit zahlreiche LED-Produkte (Lampen und Leuchten) in den Markt der Allgemeinbeleuchtung. In einem ersten Schwerpunkt des Teilprojektes waren daher unterschiedliche LED-Lösungen zu klassifizieren und die energetische Effizienz zu beziffern, um die Systeme bzgl. ihres energetischen Verhaltens planerisch genähert bewerten zu können. Diese Kennwerte waren auf die Systematik der DIN V 18599 abzustimmen. In einem zweiten Schwerpunkt wurden Beleuchtungslösungen für Büroräume auf Basis von Stehleuchten - unter spezieller Beachtung von LED-Stehleuchten - untersucht.

Konzept

Anhand einer Analyse von Marktdaten (Kataloge, ergänzende direkte Herstellerdaten) wurden LED-Lampen gruppiert und energetisch klassifiziert. Die LED-basierten Stehleuchten wurden in den Vergleich zu konventionellen Festinstallationen mit Langfeldleuchtstofflampen gestellt. Hierzu wurden die Systeme in verschiedenen Raumszenarien anhand unterschiedlicher Kriterien energetisch und monetär verglichen.

Ergebnisse

Die im ersten inhaltlichen Schwerpunkt dieses Teilprojektes durchgeführte Systematisierung von LED-Produkten für die Allgemeinbeleuchtung ergab, dass "LEDs in LED-Leuchten" aufgrund des besseren Thermomanagements generell effizienter wie "LED-Ersatzlampen" sind. "LEDs in LED-Leuchten" lagen zum Zeitpunkt der Datenerhebung somit bereits recht nahe an der Effizienz von stabförmigen Leuchtstofflampen. "LED-Ersatzlampen" liegen im Bereich der Effizienz von kompakten Leuchtstofflampen (CFL) mit integriertem Vorschaltgerät oder CFL mit externem KVG. Abgestimmt auf das Tabellenverfahren zur Bestimmung der elektrischen Bewertungsleistung nach DIN V 18599-4 wurde die Effizienz der LED-Technik im Verhältnis zu konventioneller Lampentechnik beziffert. Die energetische Effizienz von LED-Produkten verbessert sich nach wie vor in kurzen Intervallen, so dass die o.g. Werte ggf. kurzfristig zu aktualisieren sind.

Die Ergebnisse des zweiten Teilprojektschwerpunktes lassen sich wie folgt beschreiben: Lichttechnisch und energetisch sind konventionelle abgependelte Direkt-/Indirektbeleuchtungssysteme basierend auf stabförmigen Leuchtstofflampen und konventionelle Stehleuchtensysteme mit einer ergänzenden Arbeitsplatzleuchte, jeweils basierend auf Kompaktleuchtstofflampenbasis, in etwa vergleichbar. Das betrachtete LED-Stehleuchtensystem erfüllte die lichttechnischen Anforderungen aufgrund des relativ geringen Lichtstroms der Leuchten speziell in der Peripherie des Raumes dagegen nur teilweise. Zukünftig ist hier eine Bestückung der Leuchten mit größeren Lichtstrompaketen wünschenswert. Seitens der Investitionskosten stellen sich fest montierte Lösungen auf Basis von stabförmigen Leuchtstofflampen mit Abstand am günstigsten dar.

Stellt man speziell die LED-basierten Lösungen den Leuchtstofflampenlösungen gegenüber, ergibt sich folgendes Bild: Für einen vergleichbaren Lichtstrom müssen die Kosten für LED-Systeme noch merklich weiter sinken (zum Stand der Randbedingungen in diesem Berichts um mehr als den Faktor 3). Da es sich bei LED-Systemen für die Allgemeinbeleuchtung um eine noch junge Technik handelt, ist zu erwarten, dass sich u.a. durch die Ausnutzung von Skaleneffekten die Kosten von LED-Systemen denen etablierter Leuchtstofflampen-basierter Lösungen schnell weiter annähern werden

Veröffentlichungen

Aus dem und zum Projekt:

  • BMVBS (Hrsg.): Weiterentwicklung von Verfahren für die Bewertung der Energieeffizienz von Beleuchtungsanlagen im Rahmen der EnEV-Methode einschließlich der Festlegung von Mindestanforderungen - Teilprojekt 1: Wartung von Beleuchtungsanlagen. BMVBS-Online-Publikation 18/2012, Berlin 2012.
    >> weitere Informationen
  • BMVBS (Hrsg.): Weiterentwicklung von Verfahren für die Bewertung der Energieeffizienz von Beleuchtungsanlagen im Rahmen der EnEV-Methode einschließlich der Festlegung von Mindestanforderungen - Teilprojekt 2: Wartungswertgeführte Konstantlichtregelung. BMVBS-Online-Publikation 19/2012, Berlin 2012.
    >> weitere Informationen

Weitere Veröffentlichungen:

  • De Boer, Jan; Kaase, Heinrich; Aydinli, Sirri; Jakobiak, Roman: Weiterentwicklung von Verfahren für die Bewertung der Energieeffizienz von Beleuchtungsanlagen im Rahmen der EnEV-Methode einschließlich der Festlegung von Mindestanforderungen. IBP-Bericht WB 160/2012.
  • De Boer, J.; Stößel, F.: Weiterentwicklung von Verfahren für die Bewertung der Energieeffizienz von Beleuchtungsanlagen im Rahmen der EnEV-Methode einschließlich der Festlegung von Mindestanforderungen - Teilprojekt 4: Innovative Dachoberlichter. IBP-Bericht WB 163/2012.
  • De Boer, J.: Weiterentwicklung von Verfahren für die Bewertung der Energieeffizienz von Beleuchtungsanlagen im Rahmen der EnEV-Methode einschließlich der Festlegung von Mindestanforderungen - Teilprojekt 5: Festlegung von Mindestanforderungen an Beleuchtungsanlagen. IBP-Bericht WB 164/2012.
  • De Boer, J.; Aktuna, B.: Weiterentwicklung von Verfahren für die Bewertung der Energieeffizienz von Beleuchtungsanlagen im Rahmen der EnEV Methode einschließlich der Festlegung von Mindestanforderungen - Teilprojekt 6: Vergleichende Bewertung von Beleuchtungsarten für Büroräume. IBP-Bericht WB 165/2012.
Projektbeteiligte
Eckdaten
Schlagworte zum Projekt : Energieeinsparverordnung, energetische Anforderungen, EnEV 2012, Anlagentechnik