Foto: Frontansicht des Gemeindezentrums Ludesch

ARIS - Anwendung nichtlinearer Regelungstechnik und intelligenter Sensorik zur Effizienzsteigerung in Gebäuden

Mit modellbasierten, nichtlinearen Methoden der Regelungstechnik in Kombination mit intelligenter Sensorik, werden im Rahmen des Projekts innovative Steuer- und Regelkonzepte für Heiz-, Kühl- und Lüftungssysteme (HKL) und Gebäudelasten entwickelt und in Gebäudemanagementsysteme implementiert.

Kurzbeschreibung

Status

laufend

Kurzfassung

Ausgangssituation/Motivation

Gebäude samt den Energiesystemen für Heiz-, Kühl- und Lüftungszwecke (HKL), gehören global zu den größten Energieverbrauchern. Die konventionellen, industriell eingesetzten Steuer- und Regelungskonzepte für die HKL- und Gebäudeprozesse, basieren zumeist auf empirischen Überlegungen, gehen jedoch dabei in ihrer Grundstruktur, nicht auf die Problematik der Energieeffizienz im laufenden Betrieb, ein.

Die Regelziele sind dabei üblicherweise starr ausgeführt und zielen lediglich auf die Stabilisierung des eigentlichen HKL Prozesses ab. Dabei ist das physikalische Verhalten der geregelten HKL- und Gebäudepro­zesse der entscheidende Faktor, für einen sicheren und energieeffizien­ten HKL- und Gebäudebetrieb, worauf die konventionellen Steuerungen und Regelungen keinen Bedacht im Betrieb nehmen.

Modellbasierte Regelungskonzepte (MBR) zeigen in dieser Hinsicht bemerkenswerte Vorteile gegenüber anderen, konventionellen und in der Regel empirischen Steuer- und Regelansätzen von heute. Dabei wird die Dynamik der geregelten HKL Energiesysteme sowie die Bauphysik des Gebäudes auf der Grundlage eines mathematischen Modells formuliert und für innovative, fortgeschrittene Steuer- und Regelalgorithmen in ARIS verwendet.

Inhalte und Zielsetzungen

Konventionelle Methoden für die Energiemanagementsystemführung nehmen keine Rücksicht auf einen energieeffizienten und nachhaltigen Betrieb der HKL Systemkomponenten. Neue Methoden und Strategien zur intelligenten Gebäudeautomation, Steuerung, Regelung sowie intelli­genten, interaktiven Systemüberwachung der HKL Systeme, bilden das Hauptergebnis der Forschungsaktivitäten in diesem Vorhaben.

Diese, in Feldtests validierten Ansätze, sollen in der Lage sein, die Vorteile der neuen, holistischen Lösung zu demonstrieren, um die angestrebten Ziele der höheren Energieeffizienz, bei minimalinvasivem Aufwand systematisch und nachhaltig zu erreichen.

Die angestrebte Systemlösung von ARIS wird sich zusammensetzen aus bestehenden und neuen Sensortechnologien und den dafür erforderlichen Kommunikationsschnittstellen, die die Basis für eine integrierte, zielorien­tierte Regelung bilden: durch modellbasierte, nichtlineare Steuerung und Regelung wird ein Energiemanagement entwickelt, die vorgegebene Ziele bezüglich Energieeffizienz selbstständig durch kontinuierliche Optimierung im Betrieb erreicht.

Methodische Vorgehensweise

In diesem Forschungsunterfangen werden vereinfachte Modelle anvisiert, welche die aus der Sicht der Steuerung und Regelung notwendigen Dynamiken der HKL Energiesysteme und Gebäudelasten, bestmöglich beschreiben. Dabei wird die implementierte (konventionelle) Steuerung und Regelung der Energiesysteme und Gebäudelasten mit einem Opti­mierungsalgorithmus überlagert, welcher als Ziel den energieeffizienten Betrieb verfolgt.

Aus der Sicht der Optimierung, ist es daher notwendig die wesentlichen Dynamiken des Gebäudes mathematisch zu erfassen. Die modellbasierte Steuerung und Regelung wird über ein Optimierungsproblem gelöst. Anvisiert werden Modellformulierungen in nichtlinearer Zustandsraum­darstellung, die das physikalische Verhalten der geregelten Systeme und Lasten bestmöglich beschreiben.

Der reduzierten Modellkomplexität (Zustandsreduktion ohne Informa­tionsverlust) wird besondere Aufmerksamkeit geschenkt um einen Optimierungsprozess zur Laufzeit des Systems, direkt im Gebäude­managementsystem, ablaufen zu lassen. Die Einbettung von intelligenter Sensorik ist wesentlicher Bestandteil dieses Forschungsvorhabens um insgesamt die Regelung effizienter zu gestalten.

Erwartete Ergebnisse

  • Modellierung von relevanten HKL Prozess- und Gebäudedynamiken für Steuer- und Regelungszwecke
  • Dynamische Modelle zum Zweck der Erhöhung der Luftqualität für die Gebäudenutzer durch unterlagerte modellbasierte Steuer- und Regelansätze (CO2 Regelung, Regelung und Optimierung der Mischgaskonzentration)
  • Prädiktion der Entwicklung der Luftqualität durch fortgeschrittene mathematische Modelle
  • Einsatz von intelligenter Sensorik für Modellvalidierungszwecke
  • Entwicklung von fortgeschrittenen, modellbasierten Steuer- und Regelalgorithmen zur HKL Energiemanagement- und Prozessoptimierung
  • Einbettung von Steuerungs- und Regelungskonzepten in ausgewählten Gebäudeautomatisierungssystemen

Projektbeteiligte

Projektleitung

Tarik Ferhatbegovic, Austrian Institute of Technology GmbH

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

Kontaktadresse

Austrian Institute of Technology GmbH
Tarik Ferhatbegovic
Giefinggasse 2
A-1210 Wien
Tel.: +43 50550 6074
E-Mail: tarik.ferhatbegovic@ait.ac.at
Web: www.ait.ac.at

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