Mess-, Sensor und Simulationssystem (MSS) zur energieeffizienten Betriebsführung von HLK-Anlagen in Hallengebäuden und großen Räumen

Das von AUCOTEAM entwickelte MSS ist ein Instrument des Energie- bzw. Wärmemanagements in der Betriebsführung verfügbarer Heizungs-, Lüftungs- und Klima-Technik (HLK) unter Berücksichtigung von Tageszyklus-orientierten Nutzungszeiten, Wettersituationen und Anzahl der Personen im Objekt. Die Anwendungsmöglichkeiten der variabel konfigurierbaren Automatisierungslösung zur energieeffizienten HLK-Betriebsführung umfassen den Einsatz als

energetisches Analysewerkzeug für die Ermittlung von bestehender oder angestrebter Energieeffizienz bei vorhandener oder neu zu projektierender HLK-Technik wie auch als Optimierungswerkzeug für die Erzeugung von Energiefahrplänen
anwendungsspezifisch zu projektierendes Produkt als nachrüstbare Ergänzungs-Komponente Mess-Sensor-und Steuerungssystem der Leittechnik zur automatisierten Betriebsführung vorhandener oder neu zu projektierender HLK- Systeme.

Der Einsatz als zu verbauende Produktlösung bedarf immer einer Projektierungsdienstleistung, die mit den MSS-Analysewerkzeugen zu erbringen ist.

Produktbeschreibung

Die gesamte MSS-Automatisierungslösung umfasst (Bild 1) folgende funktionelle Teile:

Ein flexibel anpassbares Mess-/Sensorsystem (1) bestehend aus Messknoten mit mehreren funktechnisch angeschlossenen Sensoren zur Erfassung von Zustandsdaten des Rauminneren (wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftströmungen in Korrelation zu äußeren und inneren Wärmequellen wie Sonneneinstrahlung, Anzahl der Personen, bestehende HLK-Konfiguration u.a.) mit vorverarbeitender Weiterleitung dieser Daten an ein auswertendes Informations- und Analysesystem.
Das Simulations- und Analysesystem (IT-System), bestehend aus
- dem gebäudespezifisch zu generierenden und implementierenden Modell der Strömungs- und Temperaturverteilung im Raum (2) unter Berücksichtigung der Fensterfronten, der Türen, der Anzahl der sich aufhaltenden Personen und der Wetterdaten, das für die Diagnose bzw. die Prognose der Energie-Effizienz benutzt wird, sowie
- dem energetischen Monitoring (3) bei permanent oder zyklischen Einsatz des Mess-/Sensor-systems auf der Grundlage von Modellrechnungen zur Energie-Effizienz und -Prognose mit daraus abzuleitender Bestimmung der Parameter für die optimale Betriebsführung der HLK-Anlagen für folgende Betriebsvarianten
  - statischer Energiefahrplan (offline-Komponente), erzeugt nach einer gebäudespezifi-schen Messkampagne einschließlich darauf beruhender Modellrechnungen
  - dynamischer Energiefahrplan (online-Komponente) zum ständigen Einsatz von Messknoten in Verbindung mit modellbasierter Fuzzy-Steuerungslogik (Regel-Framework), die in Mess- und Simulationskampagnen mit dem MSS erzeugt und zur dynamischen Betriebsführung der Steuerung vorhandener HLK-Anlagen implementiert wird.
- Eine Fuzzy-Steuerungslogik in anwendungsspezifisch zu konfigurierenden MSS-Adapter (4), in dem die im MSS entsprechend dynamischen Energiefahrplans erzeugten Fuzzy-Steuerungsparameter implementiert werden. Diese Implementierung erfolgt auf einem Einplatinen-Rechner (z. B. Raspberry-Pi) mit Anschlüssen zur den jeweils bestehenden HLK-Steuerungen, um eine automatisierte energieeffiziente Betriebsführung der HLK-Anlagen leisten zu können.

Bild 1: Funktionelle und modulare Übersicht der MSS-Automatisierungslösung

Anwendungsbeschreibung

Die Anwendung ermöglicht eine energieeffiziente Betriebsführung von HLK-Anlagen in Hallengebäuden und großen Räumen. Dazu erfolgt eine energieoptimierende Auswertung von gemessenen Zustands- und erfassten Betriebsdaten, die auf Algorithmen zur Bewertung der Energie-Effizienz und der Simulation mit thermischen Strömungsmodellen beruht. Die gebäudespezifische Modellbildung erfordert dabei die Einbeziehung relevanter bautechnischer und betriebsdynamischer Daten.

Mit den Modell-basierenden Optimierungsberechnungen für einen Energiefahrplan und dessen Umsetzung in eine Fuzzy-Steuerungslogik wird die optimierende Beeinflussung leittechnischer Führungsparameter in bestehende wie auch neu zu installierende HLK- Steuerungen so durchgeführt, dass der Energieverbrauch systematisch an den tatsächlichen Bedarf angepasst und dadurch wesentlich reduzieren werden kann.

Die vier Funktionskomplexe des MSS (Bild 2), das Mess- und Sensorsystem, die gebäudespezifische thermische Simulation, das energetisches Monitoring sowie die Fuzzy-Steuerungslogik zur Umsetzung von Energiefahrplänen zur energieeffizienten Betriebsführung in Bestandshallen sind sowohl einzeln, kombinierbar oder auch als voll integrierte Lösung einsetzbar. Das MSS kann beispielsweise eingesetzt werden als

Beratungssystem in der Projektierung von HLK-Steuerungen
Nachrüstungskomponente (bestehend aus Mess-System und MSS-Adapter mit implementierter Fuzzy-Logik) für vorhandene HLK-Steuerungen
Ergänzungsbaustein (mit Mess- und energetischer Simulation) für ein vorhandenes HLK-Leitsystem
Austauslösung (mit allen MSS-Komponenten) für ein veraltetes HLK-Steuersystem.

Bild 2: Funktionelle Einsatzstruktur zur energetischen Betriebsführung

Die jeweils kundenspezifische mehrstufige Umsetzung des konkreten Einsatzfalles erfordert Projektierungsleistungen, mit der die notwendigen Mess- und Simulationskampagnen durchzuführen sind, um daraus eine Fuzzy-Steuerungslogik für bestehende HLK-Anlagen mit einer optimalen Installationsverortung der Messpunkte ableiten zu können und um den dazu notwendigen MSS-Adapter anwendungsfallspezifisch einrichten zu können.

Im Rahmen einer geschaffenen Systemlösung sind die Funktionskomplexe des MSS für unterschiedliche Kommunikationsstandards der Gebäudeautomation, mit geringem IT-Integrationsaufwand und marktgängigen Geräten einsetzbar. Die Datenkommunikation ist über TCP/IP, BACnet und weitere Busse der Gebäudeautomation integrierbar. Folgende Anwendungsmöglichkeiten charakterisieren die MSS-Automatisierungslösung

Die Beeinflussung der HLK-Regelung und -Steuerung über optimierte Energiefahrpläne ist als offline- oder online-Lösung möglich.
Der Systemaufbau ist bei flexibel gestaltbarer TCP/IP-Datenkommunikation modular und mit niedrigen Investitionskosten verbunden.
Die Mess- und Sensornetze sind auf Basis Web-fähiger Standards realisierbar und dadurch beliebig erweiterbar ohne Eingriff in die grundsätzliche Systemlösung.
Die Erweiterbarkeit von Funktionsbereichen (z. B.: für Brandschutz) und die Konfigurierung durch Nutzer ist einfach.
Die Daten sind über das Internet individuell zugriffsfähig und damit in Smart-Home-Systeme integrierbar.
Monitoring und Prognose des Energiezustandes sind mit ergänzendem Framework zur Entscheidungshilfe in vorhandene Leitsysteme der HLK-Technik integrierbar.

Da das MSS prinzipiell auf die TCP/IP-Kommunikation ausgerichtet ist, kann es gut in zukünftige IoT- (Internet of Things-) Lösungen der Gebäudeautomation eingebunden werden.

Autor: Paul J. Thierse