Vortrag 2015 prof elmar bollin praetabs controller am beispiel des passiv seminargebaeudes der hochs

AUTOMATISIERUNGSKONZEPTE FÜR PRÄTABS -

die selbstlernende, prädiktive TABS Steuerung

Prof. Elmar Bollin

Geschäftsführender Leiter Institut für Energiesystemtechnik INES

Hochschule Offenburg

UPONOR 37. Internationaler Uponor Kongress, 22.4.2015 in St. Christoph

Hochschule Offenburg University of Applied Sciences

02.04.2015

Inhaltsübersicht

Automatisierung in der TGA

Automationskonzepte für TABS

Ausgeführte Beispiele


02.04.2015

Gebäudeautomation:

Der Schlüssel zum effizienten Gebäudebetrieb


02.04.2015

•

Nichtwohngebäude haben digitale Gebäudeautomation DDC mit

dazugehöriger Leittechnik mit als Standard

DDC stellt einen Automationsverbund zwischen den TGA Gewerken her

Diese kommunikative Automationstechnik ermöglicht neue erweiterte

Betriebswerkzeuge

GebäudeautomationTeil der Ingenieurausbildung an der Hochschule Offenburg


02.04.2015

Modell

Id GA

Wetter-

prognose

Id GA - intelligente dynamische GebäudeautomationGebäudeautomation mit erweiterten Funktionen

• Gebäudemodell: Dynamische Simulation

• Automatische Einbindung von Wetterprognosen

• Prädiktion des Wärme- und Kältebedarfs

Minimierung des Energieeinsatzes

Verbesserung des Komforts


02.04.2015

Prädiktive VerfahrenWas wird dazu benötigt?

• Prognosedaten

– Wettervorhersage

– Nutzungspläne

• Mathematische Modelle

– Gebäude

– Energieverteilung

» Energiepakete

• Optimierte Betriebsstrategien Prädiktion sinnvoll bei speicherbehafteten Systemen

» Thermisch aktive Bauteilsysteme (TABS)


02.04.2015

Prädiktive VerfahrenWetterprognosen im Angebot

• Mittel- bzw. Summenwertwert des kommenden

Tages

– Außentemperatur

– Solarstrahlung

• Empfang

– Datenbankabfrage per Webservice

– FTP Download

– Langwellenfunk


02.04.2015

Lokal abgestimmte Wetterdaten

Lokale Wetterprognosen

Wetterdaten per Langwellenfunksignal


02.04.2015

Schematische Darstellung der Beheizung mit TABS: Mess- und Störgrößen

𝑸𝒉𝒆𝒊𝒛


02.04.2015

TABS BeladesteuerungSteuerung nimmt Wirkung einer Störgröße vorweg

Wetter-

vorhersage

Sonneeinstr

a,. Nutzung

Modell


02.04.2015

Automatisierungsschema PräTABS am BeispielTABS-Hydraulik mit Vierleiteranschluss


02.04.2015

• Thermischer Komfort: ISO 7730 und DIN EN 15251 bzw. SIA 180 (für

Bürogebäude sollte mindestens Kategorie II eingehalten werden)

• Minimierung des Energieeinsatzes

• Thermische Energie (Heizen und Kühlen)

• Elektrische Energie (Antrieb der Umwälzpumpe)

Zielsetzungen der TABS-SteuerungOptimierungsziele


02.04.2015

PräTABS: Prädiktive selbstlernende TABS SteuerungWie funktioniert´s? Modellbasiert und selbstlernend!?

2. April 2015 Martin Schmelas 13

Signalfluss-Diagramm:

Inputs OutputsInnovation!


02.04.2015

Automatisierungsschema PräTABS am BeispielTABS-Hydraulik mit Vierleiteranschluss

Ro

R

QZH

HV

Regler

Qmc

Qmc

AMLR/

PräTABS

Raum oberhalb

Ghist, hist, Kalender

TABS-Koeff

Gpred, pred

Kühlen-Vorlauf

Kühlen-Rücklauf

Heizen-Vorlauf

Heizen-Rücklauf

Freigabe

HR

Qmc,soll

Qmc,ist

V•


02.04.2015

Automatisierungskonzept : GA als offenes SystemB-CON – Die Systemarchitektur von Iconag

Systemsteuerung

Editor

Programmmodule

OPC

Client

Treiberschicht

LabVIEW

Ausführungsschicht

LabVIEWTM

Editorschicht

Applikationsschicht

B-CON, Programmmodule und PlugIn‘s

B-CON (Funktionen)

B-CONIntegrierte Logik

zur Ansteuerung TABS

Seriell TABSTCP/IP

UDP

Windows

API

direkt

BACnet


02.04.2015

PräTABS Strukturierung/Programmierung in LabVIEW

AMLR Algorithmus als Strukturdiagramm

INES Kompetenzen 16


02.04.2015

B-CON BACnet FunktionsbibliothekIntegration der TABS Funktion direkt in B-CON

• Schnittstelle zu

unterlagerten BACnet

Systemen in dieser

Bibliothek bereits enthalten

• PräTABS als einzelnes

Objekt-TAG

PräTABS


02.04.2015

Wetter Prognosen kommen z.B. von B-CON

Wetterdienst

B-CON und TABS koppelnTABS als LabVIEW Funktion in B-CON

Historische Daten aus

Datenbankabfragen

Stelleingriffe in die

Gebäudeautomation über B-CON

PräTABS


02.04.2015

Grenzenlose Integration dank OPC und BACnetOffenes Integrationskonzept

Automatisierungshersteller

liefern Feldgeräte mit BACnet

Schnittstelle bzw. einen OPC-

Server zu deren proprietären

Systemprotokollen:

• Siemens

• Kieback & Peter

• Sauter

• Johnson Controls

• SAIA

• Honeywell

• WAGO

B-CON Leittechniksoftware

Eine Software für alle Gewerke

Kommunikation

Applikation

OPC-Client BACnet seriell

OPC-Server

1 …… n

BACnet

Feldgeräte

M-BUS

ESPA 4.4.4Treiberebene

../../Prospekte/Datenblätter/DE/ICONAG_BACnet_PICS.pdf



02.04.2015

Simulationsbasiertes Verfahren für TABS BMBF Vorhaben Klima 2: Demoprojekt Electror Stuttgart

Bürogebäude Elektror Airsystems, Stuttgart Ostfildern


02.04.2015

Wetterdaten

Meteocontrol

Webservice

Iconag B-CON

mit MLR

Automatisierungskonzept Projekt ElektrorB-CON mit OPC Client mit Wetterprognose per Webservice

XML

OPC

Client

OPC

Server

Saia SPS

LabVIEW

../../Prospekte/Datenblätter/DE/Datenblatt_B-NODE_Heim.pdf



02.04.2015

• Wettervorhersagen (Außentemperatur solare

Einstrahlung)

• Historische Daten (thermische Energie der TABS und/oder

des Sekundärsystems, Außentemperatur, solare

Einstrahlung)

• Nutzung: Wann ist ein Arbeitstag, wann ein arbeits-

freier Tag?

• Aufbau der TABS (aus Konstruktionsplänen)

• Mathematisches Modell (hier MLR)

Was benötigt hier der prädiktive SteueralgorithmusDaten und Modelle!


02.04.2015

Prinzip

PEMS – Prognoseassistent Wärmebedarf

Wärmebedarfsprognose Gebäude

• Mathematisches Modell aus historischen Messdaten

• Energiebedarf für Heizung und Lüftung

• Tagesmittelwert Außentemperatur

• Tagesmittelwert der Globalstrahlung

o Statistisches Verfahren

Multiple Lineare Regression

o Modell lernt aus dem realen Betrieb

• Prognose mit Modell aus Daten der Wetterprognose

Wetterprognose


02.04.2015

Math. Methode: Multiple lineare Regression MLRBerechnung von Energiepakete auf Basis zwei unabhängiger Variablen

Q: tägliches TABS Energiepaket

ϑPAL,mittel: mittlere Außentemperatur

IPGS,mittel: mittlere globale Einstrahlung

a, b and c: variabel aus MLR

• Für jede Zone eine Ebene

• Für jede Nutzung (Arbeitstag/arbeitsfreier Tag) eine Ebene


02.04.2015

a) Dauerbetrieb der Pumpe b) nächtlicher Pumpenbetrieb (Tag-Nacht-Betrieb)

c) kontinuierlicher Taktbetrieb der Pumpe d) diskontinuierlicher Taktbetrieb der Pumpe.

Stellglied: TABS-ZirkulationspumpeUnterschiedliche Betriebsmodi


02.04.2015

Differenz

Vorlauf - Rücklauftemperatur

• Steuerung der Energiemenge durch die Pumpenlaufzeit

• Temperaturen so niedrig wie möglich

• Umwälzpumpen nur wenn notwendig

Messergebnisse ElectrorPrädiktive gesteuerter Nachtbetrieb

Große Differenz Vorlauf-Rücklauf


02.04.2015

Konventioneller

Dauerbetrieb

Prädiktiver

Nachtbetrieb

Messergebnisse Elektror Airsystems Vergleich TABS-Betriebsstunden


02.04.2015

Einsparung:

70 % elektrisch

7 % thermisch

Messergebnisse 2009 Elektror Airsystems Betriebstemperaturen und Energieverbrauch


02.04.2015

Triple-Klimakammer im Labor des INESDient der TABS Analyse und der Modell-Validierungen

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

- Zwei identische schwere Klimakammern (Büroräume)

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

Lüftungssystem, Kühlsegel (noch nicht vorhanden), automatisiert mit LabView und

MATLAB]

Hauptklimakammer

Zwei identische schwere

Klimakammern


02.04.2015

PräTABS: Prädiktive selbstlernende TABS SteuerungWie funktioniert´s? Modellbasiert und selbstlernend!?

2. April 2015 Martin Schmelas 30

Signalfluss-Diagramm:

Inputs OutputsInnovation!


02.04.2015

Wetterdaten

INES Datenbank

PXI von NI

Automatisierungskonzept INES KlimakammerOhne OPC: LabVIEW Programmiersprache von NI PXI

Klimakammern




02.04.2015

Passivseminargebäude E Hochschule Offenburg HSODemovorhaben: Selbstlernende TABS-Steuerung AMLR/PräTABS

Eingebunden in verschiedene

Forschungsvorhaben der HSO:

• Monitoring

• Nutzerbefragung

• Vergleich unterschiedlicher

TABS-Steuerungen und -

Regelungen

• Zeitplan:

Inbetriebnahme:

WS 2014/2015

Konventioneller TABS-

Betrieb: 2014/2015

AMLR/PräTABS: 2015/2016

MPC-TABS: 2016/2017


02.04.2015

Im Rahmen der Forschungsvorhaben:Modellierung und Simulation – Gebäude E

2. April 2015 Martin Schmelas33

• Einschl. Be-und

Entlüftung,

interne und

externe

Wärmequellen

• Verschattungs-

systeme

• Heizen und

Kühlen mit

TABS

(zusätzliche

Kühlbalken in

PC-Pool)

• 38 Zonen

• Davon 14

geregelte

Zonen


02.04.2015

Iconag B-NODE

mit PräTABS

Wetterdaten

INES Datenbank

Siemens Desigo

Gebäudeautomation

Automatisierungskonzept Gebäude EIconag B-NODE mit PräTABS kommuniziert via BACnet direkt mit GA






02.04.2015 35

Monitoring Seminargebäude EEnergienetz Hochschule Offenburg

01. Dezember 2014 Treffen zur Einweihung des

Seminargebäude E




02.04.2015 36

Monitoring Seminargebäude E.. Als Teil des Energienetzes Hochschule Offenburg

01. Dezember 2014

Siemens Desigo

Gebäudeautomation




02.04.2015

Resümee Automatisierungskonzepte für PräTABS

• PräTABS -Algorithmus lässt sich komfortabel in die

Gebäudeautoma-tion integrieren

• Von Vorteil ist es dabei, wenn ein LabVIEW kompatibles

übergeordnetes Leitsystem vorhanden ist.

• PräTABS -Algorithmus lässt sich problemlos als Objekt in eine Leit-

technik auf Labview-Basis integrieren.

• Via OPC Server oder direkt via BACnet lassen sich Verbindungen zu

allen herkömmlichen Automationsgeräten mit offenen und proprietären

Bussystemen herstellen.

• Der PräTABS - bzw. MLR Algorithmus wurde bereits erfolgreich in

Gebäuden mit einem LabVIEW kompatiblen Leitsystem erprobt!

• Die kommenden Monate bringen neue Erkenntnisse zur Praxis von

PräTABS.

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02.04.2015

Weitere Informationen INES

INES Kompetenzen 38

http://ines.hs-offenburg.de

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