Martin Schmelas
PräTABS Controller am Beispiel des
Passiv-Seminargebäudes der
Hochschule Offenburg
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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
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EinleitungArten von „thermoaktiven Bauteilsystemen – TABS“
Passivseminar-
gebäude der
Hochschule
Offenburg mit
Betonkern-
temperierung
TABS-Verteiler pro
Zone mit Regelventil
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EinleitungTABS im Vergleich zu konventionellen Systemen
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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.)
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Stand der Technikaußentemperaturgeführte Vorlauftemperaturregelung
• Vorlauftemperatur
• Rücklauftemperatur
• Differenz zwischen
Vor- und Rücklauf-
temperatur
Kombination mit Raum-
temperatursensoren
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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
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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.
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Adaptiver und prädiktiver TABS
Steueralgorithmus auf Basis einer multiplen
linearen Regression (AMLR)
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Ausgangslage: ideales Heizen und Kühlen bei TR,set = 22 °C
Wochentag Wochenende
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Adaptiver und prädiktiver TABS
Steueralgorithmus auf Basis einer multiplen
linearen Regression (AMLR)
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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
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Adaptiver und prädiktiver TABS
Steueralgorithmus auf Basis einer multiplen
linearen Regression (AMLR)
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_ _ _
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
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Adaptiver und prädiktiver TABS
Steueralgorithmus auf Basis einer multiplen
linearen Regression (AMLR)
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Signalflussdiagramm
Eingänge Ausgängefrei wählbar
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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
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KlimakammerAufbau
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ErgebnisseSimulation
Interne Lasten (Personen, PC‘s und Beleuchtung) werden
spontan auf 0 W gesetzt
1 Woche
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ErgebnisseSimulation – extremes Wetter – Wintereinbruch
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ErgebnisseSimulation – extremes Wetter - Föhnwinde
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ErgebnisseSimulation – extremes Wetter – große Tag/Nacht Differenzen
Änderung der Sollwerte
nach Komfortnorm
Tag/Nacht Differenz von ca. 25 K
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ErgebnisseMessdaten – PräTABS an der Klimakammer
Neutrale Zone
minimale
Abweichung der
Solltemperatur
Wochenende mit
Wochenend-
absenkung
TABS sind AUS
Reduktion der
internen Lasten
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ErgebnisseMessdaten – Temperaturen und Leistungen
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Seminargebäude der Hochschule Offenburg (Gebäude E)Technische Daten
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• 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
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• 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
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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
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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
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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)
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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)
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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
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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
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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
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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
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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/