Vortrag 2015 prof elmar bollin praetabs controller am beispiel des passiv seminargebaeudes der hochs
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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
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Gebäudeautomation:
Der Schlüssel zum effizienten Gebäudebetrieb
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•
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
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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
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Prädiktive VerfahrenWas wird dazu benötigt?
• Prognosedaten
– Wettervorhersage
– Nutzungspläne
• Mathematische Modelle
– Gebäude
– Energieverteilung
» Energiepakete
• Optimierte Betriebsstrategien Prädiktion sinnvoll bei speicherbehafteten Systemen
» Thermisch aktive Bauteilsysteme (TABS)
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Prädiktive VerfahrenWetterprognosen im Angebot
• Mittel- bzw. Summenwertwert des kommenden
Tages
– Außentemperatur
– Solarstrahlung
• Empfang
– Datenbankabfrage per Webservice
– FTP Download
– Langwellenfunk
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Lokal abgestimmte Wetterdaten
Lokale Wetterprognosen
Wetterdaten per Langwellenfunksignal
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Schematische Darstellung der Beheizung mit TABS: Mess- und Störgrößen
𝑸𝒉𝒆𝒊𝒛
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TABS BeladesteuerungSteuerung nimmt Wirkung einer Störgröße vorweg
Wetter-
vorhersage
Sonneeinstr
a,. Nutzung
Modell
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Automatisierungsschema PräTABS am BeispielTABS-Hydraulik mit Vierleiteranschluss
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• 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
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PräTABS: Prädiktive selbstlernende TABS SteuerungWie funktioniert´s? Modellbasiert und selbstlernend!?
2. April 2015 Martin Schmelas 13
Signalfluss-Diagramm:
Inputs OutputsInnovation!
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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•
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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
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PräTABS Strukturierung/Programmierung in LabVIEW
AMLR Algorithmus als Strukturdiagramm
INES Kompetenzen 16
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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
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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
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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
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Simulationsbasiertes Verfahren für TABS BMBF Vorhaben Klima 2: Demoprojekt Electror Stuttgart
Bürogebäude Elektror Airsystems, Stuttgart Ostfildern
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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
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• 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!
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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
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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
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a) Dauerbetrieb der Pumpe b) nächtlicher Pumpenbetrieb (Tag-Nacht-Betrieb)
c) kontinuierlicher Taktbetrieb der Pumpe d) diskontinuierlicher Taktbetrieb der Pumpe.
Stellglied: TABS-ZirkulationspumpeUnterschiedliche Betriebsmodi
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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
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Konventioneller
Dauerbetrieb
Prädiktiver
Nachtbetrieb
Messergebnisse Elektror Airsystems Vergleich TABS-Betriebsstunden
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Einsparung:
70 % elektrisch
7 % thermisch
Messergebnisse 2009 Elektror Airsystems Betriebstemperaturen und Energieverbrauch
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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
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PräTABS: Prädiktive selbstlernende TABS SteuerungWie funktioniert´s? Modellbasiert und selbstlernend!?
2. April 2015 Martin Schmelas 30
Signalfluss-Diagramm:
Inputs OutputsInnovation!
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Wetterdaten
INES Datenbank
PXI von NI
Automatisierungskonzept INES KlimakammerOhne OPC: LabVIEW Programmiersprache von NI PXI
Klimakammern
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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
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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
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Iconag B-NODE
mit PräTABS
Wetterdaten
INES Datenbank
Siemens Desigo
Gebäudeautomation
Automatisierungskonzept Gebäude EIconag B-NODE mit PräTABS kommuniziert via BACnet direkt mit GA
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02.04.2015 35
Monitoring Seminargebäude EEnergienetz Hochschule Offenburg
01. Dezember 2014 Treffen zur Einweihung des
Seminargebäude E
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02.04.2015 36
Monitoring Seminargebäude E.. Als Teil des Energienetzes Hochschule Offenburg
01. Dezember 2014
Siemens Desigo
Gebäudeautomation
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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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