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

Kurzbeschreibung

Status

abgeschlossen

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 setzt sich aus bestehenden und neuen Sensortechnologien und den dafür erforderlichen Kommunikationsschnittstellen, die die Basis für eine integrierte, zielorientierte Regelung bilden, zusammen. Durch modellbasierte, nichtlineare Steuerung und Regelung wird ein Energiemanagement entwickelt, das vorgegebene Ziele bezüglich Energieeffizienz selbstständig durch kontinuierliche Optimierung im Betrieb erreicht.

Methodische Vorgehensweise

In diesem Forschungsunterfangen werden vereinfachte Modelle anvisiert, die die aus der Sicht der Steuerung und Regelung notwendigen Dynamiken der Heizungs-, Lüftungs-, und Klimasysteme (HLK) sowie der Gebäudelasten beschreiben. Dabei wird die implementierte (konventionelle) Steuerung und Regelung der Energiesysteme und Gebäudelasten mit einem Optimierungsalgorithmus überlagert, der 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 (Kombination von Modellen und realer Sensorik) war ein wesentlicher Bestandteil dieses Forschungsvorhabens um hat die Regelung insgesamt effizienter gestaltet.

Die Methodik wurde anhand eines Lüftungssystems für die Frischluftzufuhr für Seminar- und Aufenthaltsräume einer Fachhochschule, eingebettet in einem Passivhausbürogebäude (ENERGYbase, Giefinggasse 6, 1210 Wien), in realen Tests validiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die in ARIS vorgestellte Methodik der Modellierung und des systematischen, modellbasierten Reglerentwurfs, zeigt nicht nur in Simulationen gute Ergebnisse, sondern erweist sich im Feldtest als eine echte Alternative zu den konventionellen Regelstrategien für Lüftungssysteme im Gebäudebereich. Die Einhaltung des gewünschten Komforts und die direkte Möglichkeit, auf den Energieverbrauch während des Betriebs Einfluss zu nehmen, waren die Schlüsselargumente für den Nachweis des Erfolgs der ARIS Methodik. Die ausschließlich softwarebasierte Lösung hilft bedarfsorientiert und systematisch in den Gebäudeprozessbetrieb einzugreifen und diesen energieoptimal zu führen. Die Erweiterung der modellbasierten Regelung mit einem Personenschätzungsalgorithmus, der aus ohnehin für die konventionelle Regelung benötigten Messdaten die Anzahl der Personen zur Laufzeit des System berechnet, macht den ARIS Ansatz robuster gegenüber konventionellen, industriellen Regelungsansätzen. Die Verwendung von Prozessabbildern in Form von mathematischen Modellen ergibt zusätzlich die Möglichkeit das Prozessverhalten zu prädizieren und auch auf Störungen und äußere Prozesseinflüsse rechtzeitig zu reagieren.

ARIS lieferte eine solide Basis dafür, die Vorteile der fortgeschrittenen Methoden der Regelungstechnik im Bereich der Gebäudeprozesse zu demonstrieren und die Regelungsstrategien innerhalb der Gebäudeautomation nachhaltig zu verändern. Fakt ist, konventionelle Regelungsmethoden der Gebäudeindustrie können und sollen weiter entwickelt werden, um Energiemanagement von komplexen gebäudetechnischen Systemen zu etablieren. Der Appel den Gebäudebereich energieeffizienter zu gestalten, hat dazu geführt sich den Regelungsalgorithmen mit Nachdruck zu widmen, zumal auch die Rechenleistung gängiger Leittechniksysteme in den letzten Jahrzehnten enorm zugelegt hat. Aus hardwaretechnischer Sicht steht daher dem Gebäudesystemintegrator großes Potential zur Verfügung, das genutzt werden sollte. Die Forschungsarbeiten im Bereich der mathematischen Modellierung von Gebäudeprozessen sollten daher fortgesetzt werden – der Fokus sollte allerdings mehr auf die datengetriebene Modellierung künftig gerichtet werden, was ganz im Sinne der nächsten europäischen Forschungsziele ist – nämlich der Digitalisierung. ARIS stellt aus österreichischer Sicht die Weichen bereits rechtzeitig.

Ausblick

Cyber-Physical Systeme sind in aller Munde. Auch ARIS liefert mit den Ergebnissen einen Beitrag zu diesem innovativen Forschungsthema. Die hier verwendete Methodik der virtuellen (cyber) Systeme anhand von mathematischen Modellen ist eine vielversprechende, die auch für künftige Forschungsvorhaben in unterschiedlichen Domänen zum Einsatz kommen wird (Industrieprozesse, Smart Grids, Energiewirtschaft, usw.). ARIS setzt auf eine Kombination von physikalischer und datenbasierter Modellierung sowie auf die Einbettung von optimierungsbasierter Prozessführung. Hier steckt noch viel Forschungspotential und wird in zahlreichen Projekten künftig weiter untersucht werden.

Publikationen

Mit modellbasierten, nichtlinearen Methoden der Regelungstechnik in Kombination mit intelligenter Sensorik, wurden im Rahmen des Projekts innovative Steuer- und Regelkonzepte für Heiz-, Kühl- und Lüftungssysteme (HKL) und Gebäudelasten entwickelt und in Gebäudemanagementsysteme implementiert. Schriftenreihe 32/2017
G. Zucker, T. Ferhatbegovic, T. Pflügl, W. Timelthaler, B. Kodré, H. Baldauf
Herausgeber: BMVIT
Deutsch, 42 Seiten

Projektbeteiligte

Projektleitung

Tarik Ferhatbegovic, Austrian Institute of Technology GmbH

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

Bernhard Kodre - AutomationX GmbH
Roman Klug - AutomationX GmbH
Wolfgang Reichl - E+E Elektronik Ges.m.b.H
Wolfgang Timelthaler - E+E Elektronik Ges.m.b.H

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