OWLracle“ – Entscheidungsunterstützung bei ... · EnEV, DIN und Literatur ... ISBN...

„OWLracle“ – Entscheidungsunterstützung bei Energieeffizienzmaßnahmen im Bestand

Dipl.-Ing. Philipp Bauer, M.Sc. Christian Siegwart,

Dr.-Ing. Felix Felgner,Univ.-Prof. Dr.-Ing. Georg Frey

Lehrstuhl für Automatisierungs- und EnergiesystemeUniversität des Saarlandes

Facility Management Kongress 2015, Frankfurt am Main, 24.03.2015

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2Quelle: www.wordle.net

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energetische

energetischen

technische

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Metamodelle für Gebäude, Raumnutzung und Nutzerverhalten:

Software-Implementierung von Metamodellen und Rahmenbedingungen:

4Quellen: simulationresearch.lbl.gov/bcvtb; eere.energy.gov; www.modelon.com

Building Controls Virtual Test Bed

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• Einführung in die Problemstellung

• Grundlegende Gebäude-, Raum- und Nutzertypen

• Implementierung von OWLracle

• Simulationsergebnisse zum Nutzen verschiedener

Energieeffizienzmaßnahmen

• Zusammenfassung

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Grundlegende Gebäudetypen (BT, Building Type)

Typische Gebäude:

• BT1: 1949 – 1977

• BT2: 1978 – 1994

• BT3: ab 1995

Angabe der Konstruktionsliste und Wärmedurchgangskoeffizienten für

• Dach

• Außenwand

• Fenster

• Bodenplatte

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auf Grundlage von

EnEV, DIN und Literatur

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Grundlegende Raumtypen (RT, Room Type)

Typische Räume:

• RT1: Büro

• RT2: Labor

• RT3: Hörsaal, Seminarraum

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Parameter RT1 RT2 RT3

Q uelle

startDay 07:00 07:00 08:00 [22]

startNight 18:00 18:00 17:00 [22]

dayTemperature 21 °C 22 °C 21 °C [22]

nightTemperature 17 °C 18 °C 17 °C [22]

maxPeople (pro 100m²) 10 5 30 [22]

minPeople (pro 100m²) 0 0 0 [22]

metabolicRate (pro Person) 125 W 170 W 100 W [24]

Room type

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Grundlegende Nutzertypen (UT, User Type)

Entwicklungsstufen der Nutzer:

• UT1: EnergyWaster

• UT2: AverageUser

• UT3: EnergySaver

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UT1 UT2 UT3

deltaTemp +1 K 0 K -1 K

nightSetback Nie PRBS_nightSetback_50% Immer

weekendSetback Nie PRBS_weekendSetback_50% Immer

nightEnergySave Nie PRBS_nightEnergySave_50% Immer

weekendEnergySave Nie PRBS_weekendEnergySave_50% Immer

(Mode)

Parameter

Th

erm

isch

Ele

ctri

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User type

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• Zusammenfassung

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Gebäudesimulation mittels EnergyPlus

Anforderungen:

• Möglichkeit komplexer Gebäudesimulation zur Berechnung des

Energieverbrauchs eines Gebäudes unter gegebenen raumklimatischen

Bedingungen und Berücksichtigung ortsabhängiger Wettereinflüsse

• gute Dokumentation

• validierte Software, um realistische Ergebnisse zu ermöglichen

• Möglichkeit der Anbindung der Gebäudesimulation an weitere

Simulationsprogramme zur Erweiterung der Funktionalität (etwa zur

Optimierung).

• Möglichkeit des Imports von vorhandenen CAD-Gebäudeplänen

• frei zugänglich und kostenfrei zur Nutzung des Tools an anderen

Hochschulen

• regelmäßige Aktualisierungen

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Auswahlprozess:

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Softwareeigenschaften BSim EnergyPlus ESP-r Tas TRNSYS

Validiert nach BESTEST X X X X

Export zu anderen

SimulationsprogrammenX X

Import der Gebäudegeometrie aus

anderen CAD ProgrammenX X X X X

Frei zugänglich X X

Regelmäßige Aktualisierungen X X X X X

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Rahmenbedingungen:

IWEC Wetterdaten (International Weather for Energy Calculations)

• Stündliche Temperaturwerte

• Sonneneinstrahlung (direkt und global)

• Luftfeuchtigkeitswerte

• Windrichtung und Windgeschwindigkeit

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Version,8.2;

Building,

Building, !- Name

30., !- North Axis {deg}

City, !- Terrain

0.04, !- Loads Convergence Tolerance Value

0.4, !- Temperature Convergence Tolerance Value

{deltaC}

FullExterior, !- Solar Distribution

25, !- Maximum Number of Warmup Days

6; !- Minimum Number of Warmup Days

Timestep,4;

SurfaceConvectionAlgorithm:Inside,Simple;

SurfaceConvectionAlgorithm:Outside,SimpleCombined;

HeatBalanceAlgorithm,ConductionTransferFunction;

GlobalGeometryRules,

UpperLeftCorner, !- Starting Vertex Position

CounterClockWise, !- Vertex Entry Direction

relative; !- Coordinate System

ScheduleTypeLimits,

Any Number; !- Name

ScheduleTypeLimits,

Fraction, !- Name

0.0, !- Lower Limit Value

1.0, !- Upper Limit Value

CONTINUOUS; !- Numeric Type

ScheduleTypeLimits,

Temperature, !- Name

-60, !- Lower Limit Value

200, !- Upper Limit Value

CONTINUOUS, !- Numeric Type

Temperature; !- Unit Type

ScheduleTypeLimits,

Control Type, !- Name

0, !- Lower Limit Value


DISCRETE; !- Numeric Type

ScheduleTypeLimits,

On/Off, !- Name

0, !- Lower Limit Value


DISCRETE; !- Numeric Type

ScheduleTypeLimits,

FlowRate, !- Name

0.0, !- Lower Limit Value


CONTINUOUS; !- Numeric Type

RunPeriod,

, !- Name

1, !- Begin Month

14, !- Begin Day of Month

1, !- End Month

14, !- End Day of Month

Tuesday, !- Day of Week for Start Day

Yes, !- Use Weather File Holidays and Special Days

Yes, !- Use Weather File Daylight Saving Period

No, !- Apply Weekend Holiday Rule

Yes, !- Use Weather File Rain Indicators

Yes; !- Use Weather File Snow Indicators

RunPeriod,

, !- Name

7, !- Begin Month

7, !- Begin Day of Month

7, !- End Month

7, !- End Day of Month

Tuesday, !- Day of Week for Start Day

Yes, !- Use Weather File Holidays and Special Days

Yes, !- Use Weather File Daylight Saving Period

No, !- Apply Weekend Holiday Rule

…..

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Co-Simulations-Framework BCVTB zur Kopplung mit weiteren Simulations-Tools

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BT1 BT2 BT3

(1949..1977) (1978..1994) (1995..)

RT1 RT2 RT3

Office Laboratory Lecture hall

UT1 UT2 UT3

EnergyWaster Avg. User EnergySaver

BCVTB

EnergyPlus

Dymola/

Modelica

Building Controls Virtual Test Bed

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Co-Simulations-Framework BCVTB zur Kopplung mit weiteren Simulations-Tools (BCVTB = Building Controls Virtual Test Bed)

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Co-Simulations-Framework BCVTB zur Kopplung mit weiteren Simulations-Tools (BCVTB = Building Controls Virtual Test Bed)

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• Zusammenfassung

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Simulationsergebnisse zum Nutzen verschiedener Energieeffizienzmaßnahmen

Virtuelles Testgebäude:

• Quadratische Maße (10 m x 10 m x 2,76 m) mit Flachdach

• Eine Raumnutzung

• Fenster in jeder Außenwand

• Tür in Richtung Norden

• Luftwechselrate beträgt 2 pro Stunde

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Veränderung des Building Type: Veränderung des User Type:

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• Großes Potenzial

• Hohe

Investitionskosten

• Großes Potenzial

• Geringe

Investitionskosten

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• Zusammenfassung

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Zusammenfassung:

• Entwicklung von Metamodellen für Gebäude, Raum und Nutzer

• Auswahl von Software-Tools und eines Frameworks

• Implementierung der Modelle

• Simulationen: Großes Einsparpotenzial von bis zu 42 %

22

Kontakt

Dipl.-Ing. Philipp BauerDr.-Ing. Felix Felgner

Universität des SaarlandesLehrstuhl für Automatisierungs- und EnergiesystemeCampus A5.166123 Saarbrücken

[email protected]@aut.uni-saarland.dewww.aut.uni-saarland.de

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

http://www.aut.uni-saarland.de/

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Ausblick:

• Einbindung realer Gebäudemodelle und Nutzerdaten der UdS zur

Verbesserung der Prognosegenauigkeit

• Erweiterung zur automatischen Verarbeitung von CAD- und BIM-Daten

• Verbesserung der Übertragbarkeit durch weitere Datenabstraktion

• Einbettung in Szenarien-basiertes Energieperformance-Controlling

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Referenzen:[1] European Commission: 2030 framework for climate and energy policies. Climate Action of the European Commission, Brussels, Jan. 2014.

[2] Bauer, P.; Schäfer, C.; Rögele, S.; Baumeister, A.; Schweizer-Ries, P.; Frey, G.: Energieverbrauchsoptimierung an universitären Liegenschaften. Proceedings of the Congress Facility Management (FM

2014), Frankfurt am Main, Germany, Feb. 2014.

[3] Bauer, P.; Schäfer, C.; Rögele, S.; Baumeister, A.; Schweizer-Ries, P.; Frey, G.: Engineering a Predictive Energy Consumption Model for Univesity Properties. Proceedings of the European Modelling

Symposium (EMS 2013), pp. 381-387, Manchester, United Kingdom, Nov. 2013.

[4] Bauer, P.; Siegwart, C.; Felgner, F.; Frey, G.: “OWLracle” – Predicting the Impact of Interdisciplinary Energy Efficiency Methods at German Universities using BCVTB. Proceedings of the IEEE Industial

Electronics Society Conference (IECON 2014), Dallas/TX, USA, Oct. 2014.

[5] Bundesgesetzblatt Nr. 56 vom 17. Aug. 1977: WSchV1977 Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden. 1977.

[6] Bundesgesetzblatt Nr. 7 vom 27.Feb. 1982: WSchV1982 Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden. 1982.

[7] Bundesgesetzblatt I S. 2121: WSchV1995 Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden. 1994.

[8] Bundesgesetzblatt I S. 3085: EnEV 2002 Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden. 2001.



[11] Bundesgesetzblatt I/23: EnEV 2009 Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden. 2009.


[13] Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings (recast). Official Journal of the European Union, L153, Brussels, 2010.

[14] Böhmer, H.; Fanslau-Görlitz, D.; Zedler, J.: U-Werte alter Bauteile - Arbeitsunterlagen zur Rationalisierung wärmeschutztechnischer Berechnungen bei der Modernisierung. ISBN 978-3-8167-8087-8,

Institut für Bauforschung e.V., Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, Germany, 2010.

[15] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN EN ISO 6946:2008-4 Building components and building elements – Thermal resistance and thermal transmittance – Calculation method (ISO 6946:2007);

German version EN ISO 6946:2007. Berlin, Germany, 2008.

[16] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN EN ISO 10456:2010-5 Building materials and products – Hygrothermal properties – Tabulated design values and procedures for determining declared and

design thermal values (ISO 10456:2007 + Cor. 1:2009); German version EN ISO 10456:2007 + AC:2009. Berlin, Germany, 2010.

[17] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 4108-4:2012-1 Thermal insulation and energy economy in buildings – Part 4: Hygrothermal design values; German version. Berlin, Germany, 2012.

[18] Schild, K.; Brück, H.: Energie-Effizienzbewertung von Gebäuden Anforderungen und Nachweisverfahren gemäß EnEV 2009. Vieweg &Teubner, Wiesbaden, Germany, 2010.

[19] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN V18599-4:2011-12 Energy efficiency of buildings – Calculation of the net, final and primary energy demand for heating, cooling, ventilation, domestic hot

water and lighting – Part 4: Net and final energy demand for lighting; German version. Berlin, Germany, 2011.

[20] Pruß, K.-J.: Construction documentation of building E2.9 of Saarland University. Planung und Beratung Pruß, Lebach, Germany, 2011.

[21] MASEA data base: Materialsammlung für die energetische Altbausanierung. Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Valley, Germany, 2014. http://www.masea-ensan.de/ (in Apr. 2014)

[22] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN V18599-10:2011-12 Energy efficiency of buildings – Calculation of the net, final and primary energy demand for heating, cooling, ventilation, domestic hot

water and lighting – Part 10: Boundary conditions of use, climatic data; German version. Berlin, Germany, 2011.

[23] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 277-2:2005-02 Areas and volumes of buildings Part 2: Classification of net ground areas (utilization areas, technical operating areas and circulation areas);

German version. Berlin, 2005.

[24] Felgner, F.: Design of Virtual Airflow Sensors for Thermal Comfort Control - Entwicklung virtueller Raumluftströmungssensoren zur Regelung der thermischen Behaglichkeit. ISBN 978-3-8322-7774-1,

Shaker Verlag Aachen, Dissertation, University of Kaiserslautern, Dec. 2008.

[25] Crawley, D.; Hand, J.; Kummert, M.; Griffitz, B.: Contrasting the Capabilities of Building Energy Performance Simulation Programs. Building & Environment, Elsevier, 2008.

[26] US Department of Energy, Energy Efficiency & Renewable Energy: Building Energy Software Tools Directory - Whole Building Analysis: Energy Simulation.

http://apps1.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/subjects.cfm/pagename=subjects/pagename_menu=whole_building_analysis/pagename_submenu=energy_simulation (in Apr. 2014)

[27] International Energy Agency: Building Energy Simulation Test (BESTEST) and Diagnostic Method. First introduced in Feb. 1995. http://www.nrel.gov/docs/legosti/old/6231.pdf (in Apr. 2014)

[28] American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE): ASHRAE Standard 140-2011 -- Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer

Programs (ANSI Approved). First introduced in Jan. 2011.

[29] U.S. Department of Energy: EnergyPlus Testing with ASHRAE 1052-RP Toolkit – Building Fabric Analytical Tests. First introduced in Nov. 2013.

http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/pdfs/energyplus_ashrae_1052rp_envelope.pdf (Apr. 2014)

[30] Felgner, F.; Merz, R.; Litz, L.: Modular modelling of thermal building behaviour using Modelica. Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, Taylor & Francis, Vol. 12, No. 1, pp. 35-49,

Feb. 2006.

[31] Wetter, M.: Modelica-based Modeling and Simulation to Support Research and Development in Building Energy and Control Systems. Journal of Building Performance Simulation, 2(2):143-161, 2009.

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