Energieeinsparungen gegenüber einer Basislinie messen

Eine Energieeinsparung ist die Differenz zwischen zwei Werten, von denen nur einer gemessen wird. Nach einer Modernisierung lässt sich der tatsächliche Verbrauch des Standorts messen. Der Verbrauch ohne Modernisierung ist die bereinigte Basislinie: die Schätzung eines Modells, das mit Daten aus der Zeit vor der Maßnahme erstellt und mit den Bedingungen des Berichtszeitraums berechnet wurde. Die Aussagekraft der Einsparung hängt vom Modell ab; das Modell wiederum hängt von den Daten innerhalb der festgelegten Messgrenze ab.

Rohänderung und bereinigte Einsparung

Ein Lebensmittelbetrieb erneuerte Beleuchtung und Beleuchtungssteuerung. Sein Stromverbrauch und seine Produktion im letzten Basisjahr und im ersten Berichtsjahr waren:

Das Modell wurde anhand von 24 Monatswerten vor der Maßnahme angepasst:

E = 40.000 kWh + 60 kWh/t × P

E ist der monatliche Stromverbrauch und P die monatliche Produktion in Tonnen. Der Achsenabschnitt beschreibt die feste Last: Kälteverluste, Druckluftlecks, Beleuchtung und Lüftung, die unabhängig von der Produktionsmenge laufen. Über zwölf Monate sind das 480.000 kWh. Heizgradtage wurden als zweite Variable geprüft und verworfen. Ihr t-Wert betrug 1,1 und lag damit unter den von IPMVP geforderten 2,0, weil die Beheizung des Standorts mit Gas außerhalb der elektrischen Messgrenze erfolgt.

Die Rohänderung ist etwa eineinhalbmal so groß wie die tatsächliche Einsparung, weil auch die Produktion sank. Eine proportionale Skalierung (1.200.000 kWh × 0,92) unterstellt, dass die feste Last mit der Produktion sinkt. Das tut sie nicht. Daher unterschätzt dieses Verfahren die Einsparung um 38.400 kWh beziehungsweise 31 %. Zwei zunächst plausibel wirkende Verfahren liefern um 46 % voneinander abweichende Ergebnisse. Deshalb muss der Plan das Modell festlegen, bevor das Ergebnis bekannt ist.

Dieses Ergebnis ist vermiedene Energie: Die Basislinie wird auf die Bedingungen des Berichtszeitraums projiziert. Eine normalisierte Einsparung projiziert dagegen beide Zeiträume auf festgelegte Bedingungen, etwa ein typisches Wetterjahr oder eine geplante Produktionsmenge. Nutzen Sie sie für Jahres- oder Zielvergleiche und geben Sie an, welche Größe Sie berichten.

Modellgüte und Unsicherheit der Einsparung

Drei Kennwerte entscheiden, ob ein Regressionsmodell eine Basislinie bereinigen kann. Jede Variable braucht einen t-Wert über 2,0. Das R² des Modells sollte mindestens 0,75 betragen; das ist der von IPMVP genannte und im DOE-Leitfaden zitierte Wert. CV(RMSE), der Standardfehler geteilt durch den Mittelwert, beschreibt die verbleibende Streuung. Das Modell des Betriebs hat ein R² von 0,80 und einen CV(RMSE) von 4,5 %.

ASHRAE Guideline 14 verlangt anschließend eine Angabe zur Unsicherheit der berichteten Einsparung. Für ein Monatsmodell mit unkorrelierten Residuen gibt Anhang B die relative Einsparungsunsicherheit (FSU) an als:

FSU ≈ 1,26 × t × CV(RMSE) × √((1 + 2/n) ÷ m) ÷ F

Dabei ist n die Anzahl der Basispunkte, m die Anzahl der Berichtspunkte, F die Einsparung als Anteil der bereinigten Basislinie und t der Student-t-Wert für das Konfidenzniveau. Für den Betrieb gilt n = 24, m = 12 und F = 0,107. Bei 90 % Konfidenz und 22 Freiheitsgraden ist t = 1,72:

Guideline 14 verlangt, dass die Unsicherheit bei 68 % Konfidenz unter 50 % der jährlich berichteten Einsparung liegt. Dieses Modell erfüllt die Anforderung. Beide Tabellenzeilen beschreiben dasselbe Modell und dieselben Daten. Eine Unsicherheitsangabe ohne Konfidenzniveau ist nicht vergleichbar.

Häufig zitierte CV(RMSE)-Grenzen aus Guideline 14, 15 % bei einem NMBE von 5 % für Monatsdaten und 30 % bei 10 % für Stundendaten, sind Kalibrierkriterien für eine Simulation (Option D). Sie sind nicht das Prüfkriterium für eine Regressionsbasislinie. Für eine Regression gilt die oben berechnete Einsparungsunsicherheit.

F steht im Nenner; kleine Einsparungen scheitern deshalb zuerst. Bei demselben Modell hat eine Einsparung von 5 % eine FSU von 58 % bei 90 % Konfidenz. Ein Modell mit 15 % CV(RMSE) ergibt für eine Einsparung von 5 % eine FSU von 195 %: Das Ergebnis lässt sich nicht von null unterscheiden. Der Grenzbereich des DOE für Analysen ganzer Standorte im nächsten Abschnitt ergibt sich aus dieser Rechnung.

Guideline 14 begrenzt außerdem den Anwendungsbereich eines Modells. Nutzen Sie es nur für Zeiträume, in denen jede unabhängige Variable innerhalb von 90 % des niedrigsten und 110 % des höchsten Werts der Basisdaten liegt. Jeder Berichtsmonat des Betriebs lag innerhalb dieser Grenzen. Ein Monat mit zweiwöchiger Abschaltung läge außerhalb. Berichten Sie ihn separat und kennzeichnen Sie, dass das Modell dort nicht gilt.

Die vier IPMVP-Optionen

Das von der Efficiency Valuation Organization veröffentlichte International Performance Measurement and Verification Protocol (IPMVP) definiert vier Optionen. Die M&V-Richtlinien des DOE verwenden dieselben vier:

Ein stipulierter Wert verschiebt das Risiko. Legt der Plan 4.000 Betriebsstunden fest, während der Standort tatsächlich 3.200 Stunden läuft, ist die berichtete Einsparung 25 % zu hoch. Die Partei, die den festgelegten Wert akzeptiert hat, trägt diese Differenz. Der DOE-Leitfaden warnt, dass Stipulation das Risiko auf den Kunden verlagern kann. Legen Sie nur dokumentierbare Werte fest und messen Sie den Parameter, der die Einsparung bestimmt.

Der DOE-Leitfaden beschränkt Option C auf Projekte, bei denen die erwartete Einsparung etwa 10 % bis 15 % des monatlich gemessenen Verbrauchs übersteigt. Er verlangt mindestens zwölf, vorzugsweise 24 oder mehr Monate Basisdaten und mindestens neun, vorzugsweise zwölf Monate Berichtsdaten. Die 10,7 % des Betriebs liegen am unteren Rand dieses Bereichs; erst der niedrige CV(RMSE) macht das Ergebnis nutzbar.

Optionen A und B ziehen die Messgrenze um ein System und erfassen daher Wechselwirkungen nicht. Neue Beleuchtung reduziert interne Wärmegewinne: Der Heizbedarf steigt, der Kühlbedarf sinkt, und keiner der beiden liegt am Beleuchtungsstromkreis. Schätzen Sie diese Wirkung separat oder verwenden Sie Option C, bei der der Hauptzähler sie erfasst. Für eine einzelne Maßnahme an einem großen Standort messen Sie das System selbst mit Option A oder B.

Vor der Änderung planen

Schreiben Sie den M&V-Plan und beginnen Sie die Basismessung vor der Modernisierung. Sobald die alte Anlage entfernt ist, lässt sich ihr ursprünglicher Betrieb nicht mehr messen. Der Plan benennt:

• die Messgrenze: ein System, ein Gebäude oder der gesamte Standort;
• den Basiszeitraum in ganzen Jahren (12, 24 oder 36 Monate), damit keine Jahreszeit doppelt zählt;
• die unabhängigen Variablen, ihre Einheiten und Quellen für die routinemäßige Bereinigung im Modell;
• statische Faktoren wie Fläche, Schichtmuster und angeschlossene Anlagen sowie die Berechnung einer nicht routinemäßigen Anpassung, wenn sich ein Faktor ändert (neue Produktionslinie, neuer Mieter);
• jeden stipulierten Wert und die Partei, die sein Risiko trägt;
• die Modellform, Kriterien der Modellgüte, das Konfidenzniveau der Unsicherheit und die verantwortliche Person für die Berechnung.

ISO 50015 formuliert entsprechende M&V-Grundsätze für Organisationen; ISO 50006 behandelt Energiebasislinien und Energiekennzahlen in einem ISO-50001-System. Ein M&V-Plan nach IPMVP fügt sich in beide ein.

Zusätzlich zu den Zählerwerten benötigte Daten

Monatsrechnungen liefern zwölf bis 24 Datenpunkte. Für Option C reicht das, wenn die Einsparung groß und das Modell präzise ist, wie im Beispielbetrieb. Intervallwerte sind an drei Stellen wichtig: Option B braucht sie; Maßnahmen an Zeitplänen zeigen sich nachts und am Wochenende, gehen in Monatssummen aber unter; ein nicht routinemäßiges Ereignis wird innerhalb von Tagen sichtbar, nicht erst auf der nächsten Rechnung. Für die Regression empfiehlt der DOE-Leitfaden, Intervallwerte zu Tages- oder Monatswerten zu aggregieren. Tägliche Residuen sind meist autokorreliert. Die monatliche FSU-Formel unterschätzt dann ihre Unsicherheit; Anhang B von Guideline 14 beschreibt die Korrektur.

Bewahren Sie die Rohdaten auf. Dokumentieren Sie jeden Ausschluss und jede Schätzung mit Grund.

Die Einsparung berichten

Der Bericht nennt die bereinigte Einsparung in kWh und als Anteil der bereinigten Basislinie, zusammen mit FSU und Konfidenzniveau. Für den Beispielbetrieb: 122.400 kWh, 10,7 %, ±33.400 kWh bei 90 % Konfidenz, jeweils mit den Daten der Basis- und Berichtszeiträume. Er enthält das Modell mit Koeffizienten, R², t-Werten und CV(RMSE), jede nicht routinemäßige Anpassung samt Berechnung und jeden ausgeschlossenen Zeitraum samt Begründung.

Bewerten Sie eingesparte kWh mit dem Tarif des Berichtszeitraums, getrennt nach Tarifzeiten. Der Stromkostenrechner hilft bei der Aufteilung. Berichten Sie einen vermiedenen kW-Leistungspreis in einer eigenen Zeile. Kosten der Umsetzung und Vorteile außerhalb der Energie gehören nicht in die Energiekennzahl.

Ändert sich ein statischer Faktor, wenden Sie das im Plan festgelegte Verfahren zur nicht routinemäßigen Anpassung an und dokumentieren Sie es. Setzen Sie die Basislinie nicht ohne Beleg neu, nur damit ein Ziel als erreicht erscheint. Wenn ein Zuschuss das Projekt finanziert, kann eine verifizierte Einsparung die Auszahlung auslösen: Bei EXEED-Projekten behält SEAI den kleineren Betrag aus 30.000 € oder 10 % des Zuschusses zurück, bis die Anlage die EXEED-Zertifizierung erreicht oder die Energieeinsparung verifiziert wurde. Siehe den Leitfaden zum EXEED-Zuschuss.

Typische Fehler bei Einsparungsangaben

Einsparungen durch Zeitpläne und Steuerungen lassen oft zuerst nach. Ein BMS-Zeitplan wird für eine Wochenendveranstaltung manuell übersteuert und bleibt es. Ein Antrieb wird bei einer Störung auf 50 Hz umgangen und später nicht zurückgestellt. Beide Änderungen bleiben auf einer Monatsrechnung zunächst unsichtbar. Der DOE-Leitfaden verlangt, kurzfristige Messungen nach Option A mindestens jährlich zu wiederholen. Mit Intervallwerten kann die CUSUM jeden Monat dargestellt werden. Eine steigende Nachtlast ist oft das erste Anzeichen; der Leitfaden zur nächtlichen Grundlast erklärt die Auswertung.

Einsparungen mit EpiSensor messen

Für Optionen A und B installieren Sie ZEM-Strommonitore vor Beginn der Arbeiten an den Stromkreisen der zu modernisierenden Anlage. So wird die Basislinie an der Messgrenze erfasst. Ein ZEM wird mit den auf ihn kalibrierten Stromsensoren geliefert; Klasse 0.5S nach IEC 62053-22 gilt für die vollständige Messung. Dadurch bleibt der Instrumentenanteil der Unsicherheit gering. Die Werte werden über das Zigbee-Mesh übertragen, sodass der ZEM schon Wochen vor dem Projekt ohne Datenkabel installiert werden kann. Für Option C kann ein ZPC-Impulszähler den Impulsausgang des vorhandenen Hauptzählers lesen, sofern einer vorhanden ist. Der Standort erhält damit Intervallwerte an einer Messgrenze, an der zuvor nur Monatsrechnungen vorlagen. Ein Gateway mit Edge speichert die Werte lokal und stellt eine zweite Kopie der Rohdaten bereit, deren Aufbewahrung der Plan verlangt.

Demand-Response-Ereignisse verwenden eine andere Basislinie, die aus den Tagen vor jedem Ereignis gebildet wird. Lesen Sie dazu den Leitfaden zur Demand-Response-Basislinie und den Lernpfad für Gebäude- und Prozessleistung.