Ausgangssituation/Motivation

Hocheffiziente Gebäude, also Gebäude deren gesamter Energieverbrauch (Gebäudebetrieb und Nutzung) durch lokale Energiegewinnung abgedeckt werden kann, sind wesentliche Elemente von klimaneutralen Städten bzw. Stadtteilen. Diese Plus-Plus-Energie-Gebäude wurden bereits in unterschiedlichen Ausprägungen in der Praxis umgesetzt, jedoch zeigte sich bei vielen Projekten, dass deren tatsächlicher Energieverbrauch höher ist als der ursprünglich geplante Verbrauch. Einer der Gründe dafür lässt sich darauf zurückführen, dass die Gebäudeautomation erst im Zuge der Inbetriebnahme der Gebäude detailliert geplant wird. Deswegen und mangels Zeit und Budget wird in den seltensten Fällen das volle Energieeinsparungspotenzial, das die Gebäudeautomation erschließen könnte, ausgeschöpft und die Gebäude haben somit einen höheren Energieverbrauch als notwendig.

Inhalte und Zielsetzungen

Da jede Kilowattstunde nicht verbrauchte Energie dazu beiträgt, das Ziel „Klimaneutralität" zu erreichen, braucht es Gebäude mit sauber durchdachter, funktionierender Gebäudeautomation, die einen optimalen Gebäudebetrieb sicherstellt, da ansonsten es bei hocheffizienten Gebäuden zu einem unnötigen Mehrverbrauch von bis zu 54% kommen kann. Um die Gebäudeautomation – insbesondere die Steuerungs- und Regelungslogik – schon vorab auf einen optimalen Betrieb auslegen zu können, ist es notwendig, dass sie anhand eines digitalen, simulationsfähigen Abbildes (digitalen Zwillings) entwickelt wird. Dabei müssen alle relevanten Aspekte des Gebäudes (Steuerungs- und Regelungslogik, Nutzungsinformationen, Geometrie, Bautechnik und Gebäudetechnik) in unterschiedlichen Detaillierungsgraden abbildbar sein – von stark vereinfacht bis sehr detailliert – um eine zielführende Planung sicherzustellen.

Methodische Vorgehensweise

Im Zuge des Projektes wird eine Methode zur plattformunabhängigen Modellierung der Steuerungs- und Regelungslogik erstellt und in ein offenes Datenmodell integriert. Damit kann die Steuerungs- und Regelungslogik mit den Komponenten und Parametern der Gebäudemodelle bereits in der Planungsphase und über den gesamten Gebäudelebenszyklus verbunden werden. Für einen Proof-of-Concept wird das IT-Ökosystem SIMULTAN verwendet, dass eine Plattform für existierende offenen Datenmodelle wie z.B. IFC (ISO 16739) und BACNET (ISO 16484) darstellt.

Darauf aufbauend werden methodisch Schnittstellen entwickelt um die plattformunabhängige modellierte Steuerungs- und Regelungslogik in plattformspezifisch Lösungen (z.B. Simulationstools, Engineering Tools) überzuführen. Es wird dadurch ermöglicht, dass Planungsideen und Erkenntnisse aus den Simulationen direkt in die Ausführungslogik übernommen werden.

Die Praxistauglichkeit der Methodik wird durch Anwendung in einem Laborszenario nachgewiesen.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Im Projekt wurde die Planung der Gebäudeautomation durch eine generische, technologieunabhängige Methodik umgesetzt. Der openBAM Editors ermöglicht die Modellierung der Steuerungslogik mithilfe von UML-Zustandsgraphen. Um die Gebäudeautomation über den gesamten Gebäudelebenszyklus zu unterstützen, wurde die Logikabbildung mit dem digitalen Gebäudemodell, welches in einem offenen Datenmodell gespeichert ist, über konsistent gehaltene Datenpunkte verknüpft. Mittels Modelltransformationen werden die Informationen weiterverarbeitet um diese in Simulations- und Engineering Tools zu nutzen. Anhand eines Laborversuchsaufbaus einer Lüftungsanlage wurde gezeigt, dass eine Modellierung beginnend in der digitalen Welt von Simultan, einschließlich der Nutzung einer Simulation, und endend in der Steuerung von SAUTER möglich ist. Die konsistente Modellierung der Regelungslogik wird dabei garantiert. Dadurch ist möglich, dass die Regelungslogik bereits in der frühen Designphase unabhängig vom Zielsystem (SAUTER) entwickelt und durch Simulationen (z. B. IDA ICE) optimiert wird, um eine Grundlage für den späteren Energieverbrauch zu schaffen. Der optimierte Entwurf kann anschließend ohne Informationsverlust in der Ausführungsphase (SAUTER Engineering) umgesetzt werden.

Ausblick

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden Potenziale für zukünftige Entwicklungen identifiziert. Ein wesentlicher Punkt ist, dass bei Änderungen oder Löschungen von Datenpunkten, die in der Logikmodellierung verwendet werden, eine neue Modellierung oder manuelle Anpassungen erforderlich sind. Zukünftig sollten Benachrichtigungsmechanismen und die Nutzung von Repositorien oder Versionskontrollen entwickelt werden, um Änderungen zu verfolgen und Nutzer:innen darauf aufmerksam zu machen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Modellierung von komplexer Regelungslogik herausfordernd sein kann, da viele parallele Prozesse involviert sind und die Zustandsgraphen dazu sehr schnell sehr groß werden können. In diesem Bereich ist unter anderem eine Optimierung der Anzeige notwendig.

Projektleitung

Institut für Werkstofftechnologien, Bauphysik und Bauökologie (E207), TU Wien

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

• Institute of Computer Engineering, TU Wien
• Sauter Meß- und Regeltechnik Gesellschaft m.b.H.

Prof. Thomas Bednar
Karlsplatz 13, E207-02
A-1030 Wien
Tel.: +43 (1) 58801 207201
E-Mail: thomas.bednar@tuwien.ac.at
Web: www.bph.tuwien.ac.at