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ForschungsprojektForschungsprojekt- EnSim -

R ti ll G bä d i t d hRationelle Gebäudeenergienutzung durch simulationsgestützte Automation

Laufzeit: 01.02.2009 bis 28.02.2012

M.Sc. Dirk PietruschkaGLT-Anwendertagung, Linz 2009

Zentrum für angewandte ForschungNachhaltige Energietechnik

EnSim - Projektpartner

khRobert Bosch GmbH, Liegenschaft in Schwieberdingen Quelle: www.bosch-presse.de

Funkhaus Stuttgart

Studio Mannheim-Ludwigshafen

, g g

Si 101 Si 205 - 207

Quelle: www.bosch-presse.de

Si 501



Liegenschaft Stuttgart des SWRKenndaten zum Standort Stuttgart:

Umbauter Raum: 223 000 m³Umbauter Raum: 223.000 m³ Beheizte Nutzfläche: 47.000 m² Heizenergie: 165 kWh/m²aKält i kWh/ ²Kälteenergie: -- kWh/m²aStrom: 144 kWh/m²a(Mittelwerte der letzten 5 Jahre)



GLT-System des SWR

71 Prozesseinheiten

4 Turboverdichter - 5,4 MW Kälteleistung6 Rückkühlwerke67 Kli l 71 Prozesseinheiten

ca. 10200 Datenpunkte67 Klimaanlagen



EnSim - ZielsetzungenI. Reduktion des Energiebedarfs durch optimierte Regelung

der Versorgungseinrichtungen

Simulationstools zur Unterstützung des aktiven Energiemanagements

Optimierung von Regelstrategien- Optimierung von Regelstrategien

- Automatisierte Betriebsüberwachung (Referenzen schaffen)( )

- Vorausschauende Regelung zur besseren Ausnutzung der Gebäudespeichermasse

II. Reduktion des Energiebedarfs durch Einsatz effizienter Technik

A t h V til t d PAustausch von Ventilatoren und Pumpen

Optimierung der Hydraulik

Effi i t Wä ü k iM.Sc. Dirk PietruschkaGLT-Anwendertagung, Linz 2009


Effiziente Wärmerückgewinnung

EnSim - Ausgangssituation

Datenpunkte in der GLT (Visonik mit DESIGO von Siemens) nur für die Steuerung und den Gebäudebetriebnur für die Steuerung und den Gebäudebetrieb.

Außer zur Abrechnung (Gesamtliegenschaft) keine oder kaum zusätzliche Energiemengenzähler vorhandenEingeschränkte Möglichkeiten zur DatenvisualisierungEingeschränkte Möglichkeiten zur Datenvisualisierung (nur Verlaufsgrafiken)Eingeschränkte Möglichkeiten zur Datenhistorisierung

d t ti i t N t d hi t i h D tund automatisierten Nutzung der historischen Daten



EnSim – AusgangssituationTypische Trendkurve

Vorlauf FernheizungRücklauf Fernheizung

AußentemperaturWärmeleistung



EnSim – ZielsetzungVerbesserte Darstellung:Verbesserte Darstellung: Betriebszustände und Energieverbrauch

Scatter PlotCarpet Plot

Scatter Plot1600

"Streuungs-Trapez", verursacht durch

Scatter PlotCarpet Plot

Scatter Plot1200

auch

[kW

h]

Streuungs Trapez , verursacht durch Speichereffekte, solare Gewinne und unterschiedliche Nutzungsbedingungen

d ll

800

Wär

mev

erbr

a

Heizwärmeverbrauch

sonstige Prozeßwärme

0

400sonstige Prozeßwärme (z.B. Warmwasserbereitung)

0-10 -5 0 5 10 15 20 25

Heizgrenztemperatur



Funktion von SimulationKomplexe Regelalgorithmen entwickeln und vor der

Implementierung im Gebäudeleitsystem testenp g y

Optimierung Auswertung / Analyse

Gebäude-/ Raummodell

Anlagen-modell

Regel-algorithmus

Simulationsumgebung



Funktion von SimulationBeispiel Zweikanallüftungsanlage der Studios zur Reduktion von gleichzeitigem Heiz- und Kühlbetrieb



Funktion von SimulationOnline-Simulationen für die Überwachung des Anlagen- und

Gebäudebetriebs, Messwerte mit berechneten Werten vergleichen und automatisierte Alarmmeldungen absetzen

Gebäude /

Anlage

SOLL / ISTVergleich

Anlage

50

75

100

125

Tem

pera

ture

/ °C

500

750

1000

1250

sola

r irra

diat

ion

/ W m

-2

Vdo

t / l

h-1 FehlermeldungGLT + E-Mail

Gebäude-/

B t

0

25

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

hour

0

250

T(Koll,VL)m T(Koll,RL)m T(Koll,VL)Sim_dyn V(Koll)

GLT + E Mail

Anlagenmodell Bewertung



Funktion von SimulationOptimierungspotential durch automatisierte

Anlagenüberwachung (Beispiel FESTO Esslingen)

-25% Kühlenergie

-47% Heizenergie



Funktion von SimulationModelbasierte vorausschauende Simulation für den optimierten

Betrieb von Energieversorgung und Verteilung (Aktivierung der Speichermasse durch vorausschauende Regelung)

RegelungGebäude

/Anlageg

Optimierte Regelstrategie

Gebäude-/Regelstrategie Anlagenmodell

Simulationsbasierte Optimierung



Funktion von SimulationOptimierungspotentiale durch vorausschauende Regelung

(Beispiel: Nachtlüftung Solarinfocenter Freiburg)

IVent

Wetterprognose per Webservice

DDC

TRoomTProgn

VentilatordrehzahlregelungSolarinfocenter Freiburg



Funktion von SimulationOptimierungspotentiale durch vorausschauende Regelung

(Beispiel: Nachtlüftung Solarinfocenter Freiburg)VersuchszonenStromeinsparung (Ventilatoren):

763 kWh (38%)

Vergleichszonen(Standardregelung)



EnSim - UmsetzungDatenerfassung und Datenkommunikation

Siemens GLTRemote

EM Re hne VPNSiemens GLT EM Rechner

ADP Online-DatenADPDatenexport EM-Tool

+ Simulation

Online Daten(OPC Clients)

FTP

SQL Datenbank SQL Datenbank(K i )

Historische-Daten(SQL Clients)



FIREWALL(Kopie)

EnSim - UmsetzungEnergiemanagement-Tool

Siemens GLT Liegenschaft Stuttgart

Funkhaus

Heizung

Kälte

Lüftung

Licht



Zusammenfassung- Einfache und Übersichtliche Darstellung der Betriebs- und Energieverbrauchdaten notwendig als zentraler Bestandteil g gdes EM

- Referenzen sind Notwendig zur schnellen und automatisiertenReferenzen sind Notwendig zur schnellen und automatisierten Fehlererkennung Verbrauchscharakteristiken auf Basis historischer Daten oder Simulationstools (Online-Simulation)( )

- Externe Schnittstellen zur GLT-Datenerfassung / Datenhaltung sind notwendig aber nicht immer einfach umsetzbarsind notwendig aber nicht immer einfach umsetzbar

Standardisierung notwendig!

- 10 – 30 % Energieeinsparung möglich durch aktives10 30 % Energieeinsparung möglich durch aktives Energiemanagement

Belastbare Ergebnisse aus EnSim Herbst 2011M.Sc. Dirk PietruschkaGLT-Anwendertagung, Linz 2009


- Belastbare Ergebnisse aus EnSim Herbst 2011

EnSim – Kosten / NutzenNachrüstung Energiedatenerfassung

Kosten für nachträgliche Integration von Energiemengenzählern:

- Kosten für Energiemengenzähler inklusive Einbau: 1.000 – 2.500 € pro Zahlerinklusive Einbau: 1.000 2.500 € pro Zahler

- Kosten für die Aufschaltung auf das GLT-System : 1.500 – 2.000 € pro Zähler

G t 2 500 5 000 € ZählGesamt: 2.500 – 5.000 € pro ZählerKonkret:67 Klimaanlagen á 3 Zähler (Wärme, Kälte, Strom) á 2.500 € 502.500 €g ( , , )5 Turboverdichter á 2 Zähler (Strom, Kälte) á 2.500 € 25.000 €6 Rückkühlwerke á 2 Zähler (Strom, Kälte) á 2.500 € 30.000 €5 Gebäudeteile á 4 Zähler

(Wärme, Kälte, Strom allg., Strom Beleuchtung) á 2.500 € 50.000 €Summe: 607.500 €



EnSim – Kosten / NutzenNachrüstung Energiedatenerfassung

Nutzen durch die nachträgliche Integration von Energiemengenzählern:

Reduktion des Energieverbrauchs von 10 – 30 % durch aktives EM zu erwarten:erwarten:

Einsparung: 10% 30%7.6 GWh Wärme á 5 Cent pro kWh 38.000 €/a 114.000 €/a6.9 GWh Strom á 11 Cent pro kWh 76.000 €/a 228.000 €/a

Summe: 114.000 €/a 456.000 €/aAmortisation: 5 3 Jahre 1 3 JahreAmortisation: 5.3 Jahre 1.3 Jahre



Liegenschaft Stuttgart des SWR

11.811 4

12.6 12.6 12.511.8

13.0

12.0 11.912

14/a

.

11 9 GWh/a11.411.1 10.8

9.810

12

nigt

/ G

Wh/ 11.9 GWh/a

- 36 %

6.7

7.6 7.78.1 7.9

7.58

h G

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erei

7.6 GWh/a

4

6

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2

4

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0

90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07



1990

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1993

1994

1995

1996

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1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

Liegenschaft Stuttgart des SWR

8.8 8.9 8.98.7

9.0 9.28.7 8.6

8.98 4

8.7 8.59

10

8.8 GWh/a8.4

7.5

6.9 6.7 6.8 6.9 6.77

8

/ GW

h/a

.

6.9 GWh/a

- 22 %

5

6

ch g

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3

4

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1

2

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0

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007



EnSim - VoraussetzungenMessdatenerfassung / Datenübertragung / Historisierung /

Visualisierung / Auswertung und Optimierung

Datenauswertung, Visualisierung und Regelungseingriffe

Zentrale Steuerung und

Datenspeicherung

Lokale Datenerfassung

Regelungseingriffe(Managementebene)

Datenspeicherung(Automationsebene)

• Datenbank (SQL ACCESS )

(Feldebene)

• Anlagenzustand1200

1600

kWh]

"Streuungs-Trapez", verursacht durch Speichereffekte, solare Gewinne und unterschiedliche Nutzungsbedingungen

d ll(SQL, ACCESS, ...)

• Server für Online Daten (OPC)

• Temperaturen

• Energiemengen

Heizung

0

400

800

-10 -5 0 5 10 15 20 25

Wär

mev

erbr

auch

[k

Heizgrenztemperatur

Heizwärmeverbrauch

sonstige Prozeßwärme (z.B. Warmwasserbereitung)

- Heizung- Kühlung- Beleuchtung- Allg. Strom

Optimierung(Aktive EM-Tools)

- Technikstrom

• …

( )

VorausschauendeRegelung

Online-Überwachung



g

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