HLK-Automatisierung: Wo sie Energie spart und wie sich eine Modernisierung planen lässt

Eine HLK-Anlage spart nicht allein deshalb Energie, weil sie über einen neuen Regler oder eine aufwendige GLT-Visualisierung verfügt. Einsparungen entstehen, wenn Heizung, Lüftung und Kühlung genau die Bedingungen bereitstellen, die für die Gebäudenutzung oder den Prozess tatsächlich erforderlich sind. Deshalb empfiehlt es sich, bei einer Modernisierung zunächst Zeitprogramme, Sensoren und Regelabläufe zu betrachten, statt sofort eine neue Plattform auszuwählen.

Ein gut geplantes Projekt verfolgt drei Ziele: weniger Energieverbrauch, die Einhaltung der geforderten Betriebsbedingungen und eine datengestützte Überprüfung der Ergebnisse. Im Folgenden zeigen wir typische Einsparpotenziale und erläutern, wie der Leistungsumfang für eine nachvollziehbare Abnahme beschrieben werden kann.

HLK-Automatisierung im Überblick: Wo anfangen?

• Gleichen Sie den Anlagenbetrieb mit der tatsächlichen Gebäudenutzung ab. Prüfen Sie die Laufzeiten von Lüftungsgeräten, Pumpen, Kälteaggregaten und Wärmeerzeugern.
• Prüfen Sie Sollwerte und das Zusammenspiel der Geräte. Gleichzeitiges Heizen und Kühlen oder ein unnötig hoher Förderdruck können Energie verschwenden.
• Regeln Sie Volumenströme nur innerhalb der vorgegebenen Grenzen. Mindestluftmengen, Hygiene, Sicherheit und Prozessanforderungen haben Vorrang vor Energieeinsparungen.
• Zeichnen Sie Trenddaten vor und nach der Modernisierung auf. Ein Screenshot aus der Gebäudeleittechnik reicht als Nachweis der Energieeinsparung nicht aus.
• Nehmen Sie Funktionen ab, nicht nur die Montage. Erforderlich sind Prüfungen des Normalbetriebs, extremer Betriebsbedingungen, eines Sensorausfalls und der Rückkehr in einen sicheren Betriebszustand.

Was umfasst die HLK-Automatisierung und wo entstehen Verluste?

Zur HLK-Automatisierung gehören das Erfassen von Betriebsgrößen, das Ansteuern von Stellgliedern und die Logik, die den Anlagenbetrieb bestimmt. Beispiele sind Regler von RLT-Geräten, Systeme mit variablem Volumenstrom, Frequenzumrichter für Ventilatoren und Pumpen, Regelventile, Frostschutzfunktionen sowie die Regelung von Wärme- und Kälteerzeugern. Ein Gebäudemanagementsystem (BMS) kann diese Funktionen integrieren, ist aber nicht für jede einzelne Funktion erforderlich.

Zunächst sollte zwischen betriebsbedingten Energieverlusten und konstruktiven Problemen unterschieden werden. Läuft ein Lüftungsgerät nachts in einem leeren Bürogebäude, kann bereits eine Korrektur des Zeitprogramms ausreichen. Sind hingegen Luftkanäle zu klein dimensioniert oder ist eine Pumpe falsch ausgelegt, macht allein eine neue Programmierung die Anlage nicht effizient.

Die Unterlagen des US-Energieministeriums zu Betrieb und Instandhaltung von Gebäuden beschreiben die Diagnose und Feinabstimmung bestehender Anlagen als Maßnahmen zur Verbesserung des Betriebs. Vor der Anschaffung neuer Geräte sollte daher geklärt werden, ob ein zu hoher Verbrauch auf Zeitprogramme, Sollwerte, eine fehlerhafte Regelung oder ein konstruktives Problem zurückzuführen ist. Ein bestimmter Prozentsatz an Einsparungen ist damit nicht garantiert.

Welche Daten und Signale sollten die Anlage regeln?

Die HLK-Regelung sollte sich auf Größen stützen, die den tatsächlichen Bedarf abbilden. Es genügt nicht, die Außentemperatur zu messen und Störmeldungen an den Bediener weiterzuleiten. Entscheidend ist, mit welcher Verzögerung die Anlage auf Sollwertänderungen reagiert, welche Verbraucher Vorrang haben und was bei Signalausfall geschehen soll.

In der Datenpunktliste sind Sollwert, Istwert, Stellsignal und Zustandsrückmeldung klar zu unterscheiden. Ein Befehl zum Öffnen einer Klappe beweist beispielsweise nicht, dass sie tatsächlich geöffnet wurde. Ebenso ist die vom Frequenzumrichter gemeldete Frequenz weder eine Volumenstrom- noch eine Leistungsmessung.

Die Qualität der Daten ist wichtiger als die Zahl der Diagramme. Vor der Anpassung von Regelabläufen sollten falsch kalibrierte Sensoren, Ersatzsignale, dauerhaft aktive Handübersteuerungen, fehlerhafte Zeitstempel und Lücken in Trendaufzeichnungen erkannt werden. Sonst setzt das System womöglich einen fehlerhaften Algorithmus besonders präzise um.

Zeitprogramme und Sollwerte: meist der erste Prüfbereich

Lüftungsgeräte und Pumpen laufen häufig noch nach Zeitprogrammen, die vor Jahren festgelegt wurden, obwohl sich Produktionszeiten, Mieter oder die Gebäudenutzung verändert haben. Vergleichen Sie den wöchentlichen Leistungsverlauf mit den Schichtplänen und dokumentieren Sie manuelle Verlängerungen der Betriebszeiten. Erst danach sollte festgelegt werden, welche Verbraucher in einen Absenkbetrieb wechseln dürfen und welche durchgehend laufen müssen.

Gleichzeitiges Heizen und Kühlen vermeiden

Sind zwei Regelkreise auf nahezu dieselbe Solltemperatur eingestellt, kann ein Ventil die Luft erwärmen, während ein anderes sie kühlt. Gründe können eine zu kleine Totzone, ein unlogischer Regelablauf, ein ungünstig platzierter Sensor oder die erforderliche Entfeuchtung sein. Deshalb sollten Änderungen Totzone, Hysterese, Prioritäten und Umschaltbedingungen berücksichtigen, statt lediglich die Temperaturdifferenz willkürlich zu vergrößern.

Erfordert die Entfeuchtung zunächst Kühlung und anschließend eine Nacherwärmung, sind beide Vorgänge zusammen noch kein Hinweis auf einen Fehler. Zunächst müssen die geforderte Feuchte und die verfügbaren Regelverfahren geprüft werden.

Anfahren, Nachtabsenkung und Prozessgrenzen

Ein optimierter Start bedeutet, die Anlage so früh einzuschalten, dass die Sollbedingungen zu Nutzungsbeginn erreicht werden – aber nicht früher als nötig. Eine Nachtabsenkung darf weder die Anlage zu stark auskühlen lassen noch Lagerbedingungen verletzen, Kondensation verursachen oder den erforderlichen Luftwechsel unterschreiten. Das Zeitprogramm ist deshalb mit den Gebäudenutzern und den für Prozesse und Sicherheit Verantwortlichen abzustimmen.

Bedarfsgeregelte Lüftung: Wann ist sie sinnvoll?

Eine bedarfsgeregelte Lüftung (Demand Controlled Ventilation, DCV) passt den Außenluftvolumenstrom an einen wechselnden Bedarf an, etwa an die Personenzahl. In entsprechend ausgelegten Systemen kann sich auch der gesamte Zuluftvolumenstrom ändern. Wo die Lüftungslast vor allem von der Anwesenheit von Personen abhängt, können CO₂-Messungen oder Belegungsdaten hilfreich sein. Für die industrielle Lüftung ist das jedoch keine allgemeingültige Regelstrategie.

In Betrieben mit Staub-, Lösemittel- oder Prozesswärmeemissionen oder einem vorgeschriebenen Unterdruck kann die Absaugung unabhängig von der Personenzahl erforderlich sein. CO₂ erfasst nicht sämtliche Schadstoffe und ersetzt weder die Luftbilanz noch Sicherheitsanforderungen. Mindestvolumenströme, Zu- und Abluft, Strömungsrichtungen sowie abgestimmte Notfallszenarien müssen vor der Inbetriebnahme einer DCV-Regelung festgelegt sein. ASHRAE beschreibt dieses Regelprinzip im Kapitel zur Planung von Regelungssystemen.

Warum kann ein geringerer Volumenstrom die Ventilatorleistung stark senken?

Bei einem vergleichbaren Betriebspunkt in einer Anlage, deren Widerstand überwiegend durch Reibung entsteht, hängt die Ventilatorleistung näherungsweise kubisch von der Drehzahl ab. Sinkt die Drehzahl auf 80 % des Ausgangswerts, ergibt sich in diesem Modell ein Leistungsverhältnis von 0,8 × 0,8 × 0,8 = 0,512 – die momentane Leistung ist also um etwa 49 % geringer.

Das bedeutet nicht 49 % weniger Energieverbrauch im Gesamtjahr. Das tatsächliche Ergebnis hängt von der Anlagenkennlinie, dem erforderlichen Druck, den Wirkungsgraden von Ventilator und Antrieb, dem Regelbereich sowie den Betriebszeiten bei den jeweiligen Lasten ab. Sind dauerhaft hohe Volumenströme erforderlich, ist das Potenzial zur Leistungsreduzierung möglicherweise gering. Für den Nachweis sind elektrische Messdaten und Volumenstrommessungen heranzuziehen, nicht nur die Umrichterfrequenz.

Zusammenspiel von RLT-Geräten, Pumpen sowie Wärme- und Kälteerzeugern

Bei einer Modernisierung sollte die Regelabfolge des Gesamtsystems betrachtet werden, nicht nur die unabhängigen Einstellungen einzelner Geräte. Ein RLT-Gerät kann Wärme anfordern; der Erzeuger muss aber erkennen, ob tatsächlich eine Abnahme stattfindet und der hydraulische Volumenstrom ausreicht. Ebenso ist die Kälteanforderung mit der Staffelung der Kälteaggregate und der Pumpenregelung zu verknüpfen.

• Bedarfsgerechte Vorlauftemperatur: Eine Anpassung des Sollwerts an Außentemperatur oder Verbraucherbedarf kann unnötige Verluste senken, sofern die geforderten Parameter und der Wirkungsgrad des Erzeugers erhalten bleiben.
• Druckregelung: Ein dauerhaft hoher Sollwert kann dazu führen, dass Ventile und Klappen stark drosseln. Bei geregelten Anlagen sollte eine Druckanpassung anhand der Verbraucherstellungen oder des Zonenbedarfs erwogen werden.
• Erzeugerstaffelung: Die Regelung muss Mindestleistung, Lauf- und Stillstandszeiten, Abtauzyklen sowie Herstellervorgaben berücksichtigen.
• Wärmerückgewinnung: Bypassbetrieb, Frostschutz und Nutzung der Wärmerückgewinnung sollten sich nach der Temperatur- und Feuchtebilanz richten, nicht allein nach einem festen Grenzwert.

Wenn es um die Auswahl und Nutzung von Energierückgewinnung geht, bietet die Wärmerückgewinnung in der Industrie einen gesonderten Bezugspunkt. Hier steht die Regelung vorhandener Komponenten im Mittelpunkt, nicht die Auslegung einer kompletten Rückgewinnungsanlage.

In produktionsnahen Anlagen haben außerdem die Prozessbedingungen Vorrang: erforderliche Temperaturen, Feuchte, Über- oder Unterdruck sowie die zulässige Wiederanlaufzeit nach einer Störung. Vor einer Änderung der Logik ist festzulegen, welche Parameter zwingend einzuhalten sind und welche lediglich aus der bisherigen Betriebspraxis stammen.

HLK-Automatisierung, BMS und Energiemanagement: Was ist zu unterscheiden?

Ein lokaler Regler übernimmt die Funktion des jeweiligen Geräts. Ein BMS kann Daten erfassen, Sollwerte übertragen und Alarme anzeigen. Energiemanagement umfasst darüber hinaus die Festlegung von Kennzahlen, Zuständigkeiten, Reaktionsweisen und die regelmäßige Bewertung von Ergebnissen. Die Installation eines BMS ist nicht mit der Einführung eines Energiemanagementsystems nach ISO 50001 gleichzusetzen.

In der Praxis müssen Informationen in beide Richtungen fließen: von der Automation in die Auswertung und von betrieblichen Entscheidungen zurück zu den Sollwerten. Erst dadurch wird aus einer Störmeldung eine tatsächliche Korrekturmaßnahme. Wir erläutern den Ablauf ausführlicher in unserem Beitrag zur Energieüberwachung in Unternehmen.

Normen und Anforderungen an die Gebäudeautomation

Die Norm PN-EN ISO 52120-1:2022-09 systematisiert Automations- und Regelungsfunktionen, die die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden beeinflussen, sowie Methoden zur Bewertung ihrer Wirkung. Sie dient als Referenz für funktionale Systembeschreibungen, ist jedoch kein Beleg dafür, dass jede Anlage automatisch ein bestimmtes Einsparniveau erreicht.

Polnische Vorschriften für bestimmte Nichtwohngebäude sehen vor, dass diese bis zum 31. Dezember 2024 mit Gebäudeautomations- und -steuerungssystemen auszustatten waren, wenn die gesamte Nennwärmeleistung des betreffenden Heizungssystems (bzw. des kombinierten Heizungs- und Lüftungssystems) oder die gesamte Nennkälteleistung des betreffenden Klimasystems (bzw. des kombinierten Klima- und Lüftungssystems) 290 kW überschreitet – sofern die Maßnahme technisch und wirtschaftlich gerechtfertigt ist. Artikel 3 des polnischen Gesetzes vom 7. Oktober 2022 regelt unter anderem die Bewertung der technischen Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit (Amortisationsdauer der Investition höchstens 5 Jahre).

Die Richtlinie (EU) 2024/1275, Artikel 13 Absatz 9, sieht wiederum vor, dass für die betroffenen Nichtwohngebäude bis zum 31. Dezember 2029 ein Schwellenwert von über 70 kW gilt, vorbehaltlich der vorgesehenen Machbarkeitsbedingungen. Dabei handelt es sich um eine EU-Vorgabe, deren Anwendung auf ein konkretes Gebäude zusammen mit dem aktuellen nationalen Recht und seiner Umsetzung zu prüfen ist. Schwellenwerte für gebäudetechnische Systeme dürfen nicht pauschal auf jede verfahrenstechnische Anlage eines Industriebetriebs übertragen werden.

Modernisierung der HLK-Automatisierung Schritt für Schritt planen

1. Beschreiben Sie die Anlage und die Nutzungsziele. Legen Sie Systemgrenzen, Zonen, Nutzungszeiten, erforderliche Temperaturen, Feuchte, Volumenströme und kritische Sicherheitsanforderungen fest.
2. Prüfen Sie den Ist-Zustand. Stellen Sie Automationsschemata, Datenpunktlisten, Sollwerte, Gerätehandbücher, vorhandene Trendaufzeichnungen und Störungsprotokolle zusammen. Prüfen Sie stichprobenartig Sensoranzeigen und Stellglieder.
3. Unterscheiden Sie investitionsfreie von investiven Maßnahmen. Unterscheiden Sie die Anpassung von Kalendern und Regelabläufen vom Bedarf an neuen Messumformern, Frequenzumrichtern, Ventilen oder Kommunikationsschnittstellen.
4. Beschreiben Sie Regelabläufe eindeutig. Definieren Sie für jede Betriebsart Ein- und Austrittsbedingungen, Sollwerte, Prioritäten, Grenzen und das Verhalten bei Störungen. Legen Sie fest, wer Sollwerte dauerhaft ändern darf.
5. Legen Sie die Abnahme bereits vor der Umsetzung fest. Ordnen Sie jeder Funktion ein Prüfszenario, die erwartete Reaktion, aufzuzeichnende Datenpunkte und ein Abnahmekriterium zu.
6. Planen Sie die Beobachtung nach der Inbetriebnahme. Eine eintägige Abnahme erfasst nicht alle Jahreszeiten. Halten Sie fest, welche Funktionen bei winterlichen und sommerlichen Bedingungen sowie bei Lastwechseln nachzuprüfen sind.

Nicht immer muss das gesamte System ersetzt werden. Sind die Regler funktionsfähig, können sie die erforderlichen Signale verarbeiten und lassen sich die Abläufe sicher ändern, ist eine schrittweise Optimierung möglicherweise sinnvoller als eine vollständige Migration. Fehlen Dokumentation, Programmzugriff oder Ersatzteile, ist das Risiko des Weiterbetriebs gesondert zu bewerten.

Welche Funktionstests und Trends gehören zur Abnahme?

Ein Abnahmeprotokoll sollte sich nicht auf die Feststellung beschränken, dass in der Visualisierung alle Datenpunkte grün angezeigt werden. Die Unterlagen des US-Energieministeriums zum HVAC-Commissioning betonen, dass das Anlagenverhalten anhand der Planungsanforderungen geprüft werden muss – auch bei Bestandsgebäuden.

Das Aufzeichnungsintervall der Trenddaten muss zur Dynamik der Anlage passen. Stundenwerte können für eine grobe Bewertung des Zeitprogramms genügen, bilden aber kurze Ventilschwingungen oder Anlaufsequenzen nicht ab. Programmversion, Sollwertliste, Testbeschreibungen und die für die Freigabe verantwortliche Person sollten dokumentiert werden.

Wie lässt sich nachweisen, dass die HLK-Automatisierung tatsächlich Energie spart?

Ein veränderter Energieverbrauch nach der Modernisierung beweist noch keine Einsparung. Vergleichen Sie Zeiträume mit ähnlicher Nutzung, Auslastung, Witterung und gleichen Betriebsanforderungen oder nutzen Sie ein Modell, das die Unterschiede berücksichtigt. Hilfreich sind Messungen des Stromverbrauchs von Ventilatoren und Pumpen, des Wärme- und Kälteverbrauchs sowie Daten zu Volumenströmen, Temperaturen und Betriebsstunden. Die Unterlagen des US-Energieministeriums zur Messung und Verifizierung von Einsparungen erläutern die Bildung einer Referenzbasis und die Überprüfung der Ergebnisse.

Rechenbeispiel: Änderung der durchschnittlichen Ventilatorleistung

Angenommen, ein Ventilator nahm während 3.000 Stunden im Jahr durchschnittlich 12 kW auf. Nach einer Anpassung der Regelung beträgt die durchschnittliche Leistungsaufnahme während vergleichbarer Betriebsstunden und unter vergleichbaren Bedingungen 9 kW. Daraus ergibt sich:

• Vor der Änderung: 12 kW × 3.000 h = 36.000 kWh.
• Nach der Änderung: 9 kW × 3.000 h = 27.000 kWh.
• Differenz: 9.000 kWh, also 9 MWh im angenommenen Zeitraum.

Diese Rechnung erläutert die Methode und stellt kein Ergebnis eines konkreten Projekts dar. Voraussetzung für den Vergleich ist, dass beide durchschnittlichen Leistungswerte eine vergleichbare Last abbilden und weder der erforderliche Volumenstrom noch die Bedingungen in den Zonen beeinträchtigt wurden. Zusätzlich muss geprüft werden, ob der geänderte Ventilatorbetrieb den Wärme-, Kälte- oder sonstigen Geräteverbrauch erhöht hat. Ein finanzieller Vorteil lässt sich erst unter Berücksichtigung des jeweils geltenden Energiepreises und der Auswirkungen auf andere Abrechnungsbestandteile berechnen.

Die geeignete Kennzahl hängt von der Anlagenfunktion ab. In manchen Gebäuden ist es kWh je Nutzungsstunde, in anderen der um Außentemperatur, Luftvolumenstrom oder Produktionsmenge bereinigte Verbrauch. Werden Sollwerte geändert, ohne Referenzverbrauch und Vergleichsbedingungen zu dokumentieren, erschwert das die spätere Bewertung der Investition.

Was sollten Sie vor einem Gespräch über die Modernisierung vorbereiten?

Für eine erste Bestandsaufnahme ist normalerweise keine umfassende Messkampagne erforderlich. Besonders hilfreich sind:

• Automationsschema und verfahrens- oder installationstechnisches Schema;
• aktuelle Datenpunktliste mit Kennzeichnung von Messwerten, Sollwerten und Stellsignalen;
• Betriebszeitprogramme, Sollwerte und Beschreibung der Automatik- und Handbetriebsarten;
• vorhandene Trendaufzeichnungen zu Temperaturen, Volumenströmen, Drücken, Leistung und Gerätestatus;
• Beschreibung der geforderten Nutzungs- oder Prozessparameter und Sicherheitsgrenzen;
• Angaben zu bekannten Problemen: Überhitzung, unzureichende Kühlung, Schwingungen, Alarme und manuelle Übersteuerungen.

Anhand dieser Unterlagen lässt sich feststellen, ob eine Feinabstimmung ausreicht, eine Diagnose der Regelkreise notwendig ist oder weitergehende technische Maßnahmen erforderlich werden. Bei der Priorisierung kann auch das Thema Verbesserung der Energieeffizienz in Unternehmen helfen. Für die HLK-Regelung sind jedoch eigene Anforderungen und ein eigener Plan zur Wirkungsmessung festzulegen.

Fazit: Modernisieren Sie die Betriebslogik, nicht nur den Schaltschrank

Ein wesentlicher Fehler besteht darin, die Anzahl neuer Sensoren, Bildschirme und BMS-Datenpunkte als Maßstab für den Projekterfolg zu betrachten. Entscheidend ist, ob die Anlage unnötigen Betrieb vermeidet, auf Laständerungen reagiert, geforderte Bedingungen einhält und überprüfbare Ergebnisse liefert. Beginnen Sie deshalb mit Daten, schlüssigen Regelabläufen und Funktionstests; erst danach sollte der Umfang der Modernisierung festgelegt werden.

Wenn Sie eine Änderung Ihrer HLK-Regelung planen, beschreiben Sie das derzeitige Problem und senden Sie vorhandene Automationsschemata, Datenpunktlisten, Zeitprogramme und einige repräsentative Trendaufzeichnungen an audytor@energytrend.pl. Energy Trend kann darauf aufbauend bei der Abgrenzung einer ersten Diagnose und der nächsten Analyseschritte unterstützen. Ein vollständiger Messdatensatz ist in dieser Phase nicht erforderlich.

Quellen und weiterführende Dokumente

• US-Energieministerium – Betrieb und Instandhaltung technischer Systeme.
• US-Energieministerium – Commissioning von HLK-Anlagen.
• ASHRAE Handbook – Planung und Anwendung von Regelungssystemen (Ausgabe 2019).
• PKN – PN-EN ISO 52120-1:2022-09.
• Polnisches Ministerium für Entwicklung und Technologie – Gebäudeautomations- und -steuerungssysteme.
• Sejm der Republik Polen – Artikel 3 des Gesetzes vom 7. Oktober 2022 (veröffentlichter Text: polnisches Gesetzblatt 2024, Pos. 101).
• EUR-Lex – Richtlinie (EU) 2024/1275.
• US-Energieministerium – Messung und Verifizierung von Einsparungen.