Vortrag 2015 m eng martin schmelas praetabs controller am beispiel des passiv seminargebaeudes der h

Martin Schmelas

PräTABS Controller am Beispiel des

Passiv-Seminargebäudes der

Hochschule Offenburg

Hochschule Offenburg University of Applied Sciences

2. April 2015 Martin Schmelas 2

Agenda

Einleitung

• Was sind TABS, Vor- und Nachteile von TABS

Steuerung und Regelung von TABS

• Stand der Technik, Probleme der bisherigen Strategie

Adaptive und prädiktive multiple lineare Regression (PräTABS / AMLR)

• Ausgangslage, Widerstands-Kapazitäten Modell,

Berechnungsgrundlagen, Signalflussdiagramm

Klimakammer des Instituts für Energiesystemtechnik

• Vorstellung, Simulationsergebnisse anhand der Klimakammer, Messdaten

Seminargebäude der Hochschule Offenburg

• Beschreibung, Modell des Gebäudes, Zonierung, Hydraulisches Schema,

Simulationsergebnisse mit Standardstrategie vs. PräTABS, Vereinfachung

der Anlagenhydraulik



EinleitungArten von „thermoaktiven Bauteilsystemen – TABS“

Passivseminar-

gebäude der

Hochschule

Offenburg mit

Betonkern-

temperierung

TABS-Verteiler pro

Zone mit Regelventil


EinleitungTABS im Vergleich zu konventionellen Systemen


Vorteile

• Heizen UND Kühlen möglich

• Niedrige Investitionskosten für Neubauten und effizienter Betrieb durch

Nutzungsmöglichkeit von regenerativen Energiequellen (Luft, Grundwasser, Erdwärme)

• TABS sind nicht sichtbar da sie sich im Boden, der Decke und/oder den Wänden befinden

• Aufgrund der großen Wärmeübertragungsfläche ist nur ein geringer Temperaturhub

notwendig (minimal ~16 °C im Kühlfall und ~ 30 °C im Heizfall)

• Thermische Masse des Gebäudes kann in ein Lastmanagement einbezogen werden

Nachteile

• TABS sind sehr träge, was die Steuerung und Regelung kompliziert macht

• Es kann nur eine geringe Heiz- und Kühlleistung an den Raum übertragen werden

bei hohen internen Lasten werden daher oft schneller reagierende Zusatzsysteme

verbaut (Kühlbalken, Kühlsegel, Randstreifenelemente, etc.)



Stand der Technikaußentemperaturgeführte Vorlauftemperaturregelung

• Vorlauftemperatur

• Rücklauftemperatur

• Differenz zwischen

Vor- und Rücklauf-

temperatur

Kombination mit Raum-

temperatursensoren



Stand der TechnikBetriebsmodi von TABS

a) Kontinuierliche Betrieb der Pumpe b) Tag-Nacht Betrieb der Pumpe

c) Zyklischer Betrieb der Pumpe d) azyklischer Betrieb der Pumpe



MotivationProbleme der bisherigen TABS-Strategie

• Wie wird die Heiz- und Kühlkurve bestimmt?

Es gibt Auslegungsprogramme (z.B. TABS Control – Siemens)*, aber die

geplanten internen Gewinne stimmen oft nicht mit den realen internen

Gewinnen überein

Parametrisierung der Kurven muss während dem Betrieb von Experten

nachjustiert werden (oft über 1 - 2 Jahre)

• Reaktion auf Wetterumschwünge mit dieser Strategie nicht möglich

Historische Außentemperaturen und keine Einstrahlungswerte werden

verwendet

TABS reagieren sehr langsam (hohe Trägheit)

• Bei Änderung der internen Lasten (andere Mieter, andere Maschinen oder

Belegungen in den Räumen) muss die Kurve wieder nachjustiert werden

Bei Inbetriebnahme: oft nicht volle Belegung + Restfeuchte im Beton

• In thermischer Masse gespeicherte Energie kann nicht berücksichtigt werden

(Lastverschiebungen nicht möglich ohne Verletzung des thermischen Komforts)

Lösung: selbstlernende und vorausschauende Algorithmen* Gwerder, M.; Lehmann, B.; Tödtli, J.; Dorer, V.; Renggli, F. (2008): Control of thermally-activated building systems (TABS). In: Applied Energy 85 (7), S. 565–581. DOI: 10.1016/j.apenergy.2007.08.001.


Adaptiver und prädiktiver TABS

Steueralgorithmus auf Basis einer multiplen

linearen Regression (AMLR)


Ausgangslage: ideales Heizen und Kühlen bei TR,set = 22 °C

Wochentag Wochenende






Widerstands-Kapazitäten-Modell der EMPA

Quelle: Koschenz, M.; Lehmann, B. (2000): Thermoaktive Bauteilsysteme tabs. Dübendorf: EMPA.

Berechnung von der Vorlauftemperatur

zur Energie vom Bauteil in den Raum






_ _ _

1,amb globMLR R

Q a b T T c I

1 24 h f

f

b AR

24 h w wc g A

, , ,1, .

R Set amb pred glob predMLR predQ a b T T c I

Berechnung von a, b und c (Selbstlerneffekt)

automatisiert durch AMLR

Für Prognosetag werden Wetterprognosen sowie eine mittlere

Sollraumtemperatur verwendet:

a beinhaltet interne Lasten, Heiz- und Kühlenergien und

Energieeinträge aus angrenzenden Zonen [kWh]

beinhaltet Lüftungs- und Undichtigkeitsverluste

[kWh/K]

beinhaltet externe Gewinne durch Fenster

[m²h]

𝐼_

𝑔𝑙𝑜𝑏

𝑇_

𝑎𝑚𝑏

𝑇𝑅_

𝑄1,𝑀𝐿𝑅

mittlere globale Einstrahlung

mittlere Außentemperatur

mittlere Raumtemperatur

Energie von TABS in Raum

𝑄1,𝑀𝐿𝑅.𝑝𝑟𝑒𝑑 𝑄1,𝑚𝑐,𝑝𝑟𝑒𝑑

𝐼_

𝑔𝑙𝑜𝑏,𝑝𝑟𝑒𝑑

𝑇_

𝑎𝑚𝑏,𝑝𝑟𝑒𝑑

𝑄1,𝑚𝑐,𝑝𝑟𝑒𝑑

prog. mittlere globale Einstrahlung

prog. mittlere Außentemperatur

mittlere Sollraumtemperatur

zuzuführende Energie

𝑇−

𝑅,𝑆𝑒𝑡𝑄1,𝑀𝐿𝑅,𝑝𝑟𝑒𝑑 prog. Energie von TABS in Raum






Signalflussdiagramm

Eingänge Ausgängefrei wählbar



KlimakammerAufbau

- Hauptklimakammer zur Simulation von Außenbedingungen (-40 °C bis 80 °C)

- Zwei identische schwere Testkammern (Größe von typischen Büroräumen)

Contec On (oberflächennahe TABS), Contec (Betonkernaktivierung),

Lüftungssystem, Kühlsegel, austauschbare Fassaden, Kühllastsimulatoren,

umfangreiche MSR-Technik, automatisiert mit LabView



KlimakammerAufbau



ErgebnisseSimulation

Interne Lasten (Personen, PC‘s und Beleuchtung) werden

spontan auf 0 W gesetzt

1 Woche



ErgebnisseSimulation – extremes Wetter – Wintereinbruch



ErgebnisseSimulation – extremes Wetter - Föhnwinde



ErgebnisseSimulation – extremes Wetter – große Tag/Nacht Differenzen

Änderung der Sollwerte

nach Komfortnorm

Tag/Nacht Differenz von ca. 25 K



ErgebnisseMessdaten – PräTABS an der Klimakammer

Neutrale Zone

minimale

Abweichung der

Solltemperatur

Wochenende mit

Wochenend-

absenkung

TABS sind AUS

Reduktion der

internen Lasten



ErgebnisseMessdaten – Temperaturen und Leistungen


Seminargebäude der Hochschule Offenburg (Gebäude E)Technische Daten


• wurde im September 2014

bezogen

• Betonkerntemperierung

(weder Heizkörper noch

Klimaanlage)

• Kühlbalken in den PC-

Pool-Räumen für die

Spitzenlastdeckung

• Hygienelüftung (nahezu

keine Übertragung von

Energie)

• berechneter Jahres-

Heizenergiebedarf von

19 kWh/m² und 66 kWh/m²

Kühlbedarf

• Schluck- und Saugbrunnen

für Deckung des

Kühlenergiebedarfs



• Gebäude wurde in

TRNSYS als

Simulationsmodell

abgebildet

• beinhaltet Belegungen,

Verschattung, Lüftung,

Kühlbalken und TABS

• 38 Simulationszonen

• 14 TABS-Zonen

Seminargebäude der Hochschule Offenburg (Gebäude E)Simulationsmodell in TRNSYS



Typische TABS Zonierung des

Gebäudes:

• pro Stockwerk eine Zone für PC-

Pool, eine für Seminarräume und

eine für Büro- und Flure

• jede TABS Zone verfügt über ein

Steuerventil (AUF/ZU) vor dem

TABS-Verteiler

• jede Zone hat einen repräsentativen

Raumtemperatursensor

über diesen Sensor wird über

Heizen / Kühlen sowie Öffnung

des Steuerventils entschiedenEingang

Seminargebäude der Hochschule Offenburg (Gebäude E)Zonierung



Seminargebäude der Hochschule Offenburg (Gebäude E)Anlagenhydraulik der TABS

• eine Vorlauftemperatur

für PC-Poolräume

• eine Vorlauftemperatur

für Seminar-, Büro- und

Flurräume

• bei unterschiedlicher

Anforderung

(Heizen/Kühlen) sind

verschiedene Vorlauf-

temperaturen möglich



Standardstrategie:

• außentemperaturabhängige Vorlauftemperaturregelung mit EIN/AUS der

Zonenventile über Raumtemperatursensoren

• Parameter aus Siemens Desigo Gebäudeleittechnik

PräTABS:

• 15 historische Wochentage

• 10 historische Wochenendtage

• Neutrale Zone:

– Wochentags ± 150 Wh/m²/Tag

– Wochenende ± 300 Wh/m²/Tag

• Wochenendabsenkung um 300 Wh/m²/Tag

Seminargebäude der Hochschule Offenburg (Gebäude E)Standardstrategie mit PräTABS im Vergleich (TABS Zonen)



Seminargebäude der Hochschule Offenburg (Gebäude E)Erdgeschoss Seminarraum – Jahressimulation

Standardstrategie

Raum wird nicht genug gekühlt

zwar wird Energie eingespart, jedoch

thermischer Komfort eingebüßt

Raum überhitzt leicht

PräTABS

leichte Überhitzung des Raumes

Grund: durch die Hygienelüftung wird

unvorhergesehene Energie eingebracht

Thermischer Komfort nach DIN EN 15251

15 Minuten Werte innerhalb der Anwesenheitszeiten (Mo-Fr 8 bis 18 Uhr)



Standardstrategie

Kategorie I: 39 %

Kategorie II: 22 %

Kategorie III: 25 %

Kategorie IV: 14 %

Seminargebäude der Hochschule Offenburg (Gebäude E)thermischer Komfort (TABS Zonen) – nach DIN EN 15251

PräTABS

Kategorie I: 80 %

Kategorie II: 19 %

Kategorie III: 1 %

Kategorie IV: 0 %

Bei PräTABS wäre ein noch besserer Komfort möglich

Kühlbalken werden jedoch erst am oberen Limit von Kategorie II aktiviert



Standardstrategie

Gesamtkühlenergie: 72335 kWh

Gesamtheizenergie: 58501 kWh

Seminargebäude der Hochschule Offenburg (Gebäude E)thermischer Energiebedarf (TABS Zonen)

PräTABS

Gesamtkühlenergie: 96268 kWh

Gesamtheizenergie: 45300 kWh

+33 % Kühlen

-23 % Heizen

Kühlbalken werden weniger genutzt

Reduktion der installierten Leistung und dadurch

Investitionseinsparungen



Standardstrategie

Gesamtbeladungszeit: 37244 h

Seminargebäude der Hochschule Offenburg (Gebäude E)Gesamtbeladungszeit (TABS Zonen)

PräTABS

Gesamtbeladungszeit: 23479 h

-37 % Beladungszeit

Q (Energieverbrauch) ~ n (Drehzahl)

Einsparung an Hilfsenergie



Seminargebäude der Hochschule Offenburg (Gebäude E)vereinfachte Anlagenhydraulik mit PräTABS

• Einsparung zweier

Steigstränge (Heizen und

Kühlen)

• Einsparung aller

Mischventile

• oft verwendeter

Pufferspeicher wird nicht

mehr benötigt

Kostenreduktion bei den

Investitionskosten



Zusammenfassung

• PräTABS zur Steuerung von TABS wurde vorgestellt

• PräTABS wurde an der Klimakammer der Hochschule Offenburg validiert

• Simulationsstudien des Passiv-Seminargebäudes der Hochschule Offenburg zeigen

folgende Vorteile von PräTABS im Vergleich zur Standardstrategie:

• Vereinfachung der Inbetriebnahmephase von TABS

• Anpassungsfähigkeit an sich ändernde interne Lasten

• zonenweise selektive Energiebereitstellung

• frühzeitige Reaktion auf Wetterumschwünge

• deutlich höherer thermischer Komfort

• Energieeinsparung durch Vermeidung von Überhitzung und Unterkühlung

• deutliche Einsparung von Pumpenenergie (hier 37 %)

• Senkung der Investitionskosten durch eine vereinfachte Anlagenhydraulik

Einsparung von Steigsträngen, Verzicht auf Mischregelung, kein

Pufferspeicher notwendig

• Reduktion der Leistung von Kühlbalken (in diesem speziellen Fall)

• Ende Sommer 2015 wird PräTABS in die Gebäudeleittechnik von Geb. E implementiert

2. April 2015 Martin Schmelas

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Martin Schmelas (M.Eng.)

Hochschule Offenburg

Institut für Energiesystemtechnik

Am Güterbahnhof 1a

77652 Offenburg

Telefon: +49 (0)781 205-4605

Mail: [email protected]

Forschungsgruppe net: http://fgnet.hs-offenburg.de/

Institut für Energiesystemtechnik: http://ines.hs-offenburg.de/

mailto:[email protected]

http://fgnet.hs-offenburg.de/

http://ines.hs-offenburg.de/

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