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Praxistauglichkeit neuer Technik(en) schneller testen

Erkenntnisse aus der angewandten Energieforschung brauchen manchmal zwei Jahrzehnte, bis sie am Markt etabliert und akzeptiert sind. Um den Nachweis über die Praxistauglichkeit innovativer Baumaterialien, Systeme und Technologien zu beschleunigen, baut das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE Bayern) in Würzburg das sogenannte Energy Efficiency Center. Die Siemens-Division Building Technologies ist Partner dieses Projektes und entwickelt in Zusammenarbeit mit dem ZAE Bayern und der Ebert-Ingenieure GmbH neue Regelungsstrategien für die Gebäude von morgen.

 

Mitte 2013 sollen im Energy Efficiency Center in Würzburg erste Tests laufen, um den Nachweis über die Praxistauglichkeit innovativer Baumaterialien, Systeme und Technologien zu beschleunigen.

Anschauungsmuster eines Klima-Heiz- und Kühldeckenelements aus Grafitplatten mit thermisch angekoppeltem Phasenwechselmaterial, sogenanntem Phase Change Material (PCM). Die Einbringung eines PCMs ermöglicht die Pufferung von Temperaturspitzen in den Übergangszeiten durch die zusätzliche thermische Masse beim Phasenübergang, ohne dass zusätzliche energieaufwendige konventionelle Kühlung erforderlich ist.

In Zusammenarbeit mit dem ZAE Bayern testet die Siemens-Division Building Technologies das Raum- und Gebäudeautomatisierungssystem „Desigo“ unter realen Situationen im EEC.

 

Mit dem Bau des Energy Efficiency Centers – kurz EEC – will das ZAE Bayern eine Technologiereferenz für zukunftsorientiertes Bauen und innovative Gebäudetechnik schaffen, die gleichzeitig als Innovationsbeschleuniger wirken soll. Durch den forschungsbegleitenden Planungs-, Realisierungs- und Erprobungsprozess sollen die Ergebnisse der anwendungsbezogenen Energieforschung mit Unterstützung von Industriepartnern möglichst zeitnah in marktgängige Bauteile, Produkte und Systeme umgesetzt werden. Im Fokus stehen insbesondere die Wechselwirkungen des in Leichtbauweise errichteten Baukörpers und einer neuartigen membranbasierenden Dachkonstruktion mit den teilweise prototypischen HLK-Anlagen und der dafür notwendigen Regelungs- und Betreiberstrategien. Das Ziel bei diesem Projekt ist der Nachweis, dass ein Gebäude mit energieoptimierten textilen Hüllen und hochwärmegedämmten Vakuumisolierpaneelen in der Wechselbeziehung mit innovativen HLK-Systemen unter Praxisbedingungen funktioniert und zu einer hohen Gebäudeenergieeffizienz führt.

Gewerkübergreifende Verknüpfung von Systemen und Techniken

Die Besonderheiten des Projekts sind die gewerkübergreifende Verknüpfung von Raumtemperaturregelung, Beleuchtungssteuerung, Blend- und Sonnenschutz sowie deren Zusammenspiel mit neuartigen Materialien und innovativen gebäudetechnischen Komponenten. Eine weitere Herausforderung ist die Regelung und Steuerung der als Backup notwendigen konventionellen HLK-Anlagen als Grundinfrastruktur bei gleichzeitiger Einbindung der Forschungsprojekte und deren Priorisierung im Betrieb. Zu den prototypischen Anlagen zählen u.a.:

  • Klima-Heiz- und Kühldecken aus Grafitplatten mit thermisch angekoppeltem Phasenwechselmaterial, sogenanntem Phase Change Material (PCM),
  • sorptive Klimaanlagensysteme in offener und geschlossener Bauart (offene Sorptionskühlsysteme können die sogenannten Ventilationskühllasten von Gebäuden, die oft mehr als 50% der Gesamtkühllast ausmachen, effizient abführen),
  • offener Regenwasserkreislauf für nächtliche Strahlungskühlung über Dachflächen mit Einspeicherung des abgekühlten Wassers in einer Löschwasserzisterne,
  • über Membransysteme belichtete und erwärmte Räume und deren Wechselwirkung mit den gebäude- und raumlufttechnischen Anlagen.


Für die Siemens-Division Building Technologies ergibt sich bei dem Projekt die Möglichkeit, das bestehende Raum- und Gebäudeautomatisierungssystem „Desigo“ unter realen Situationen zu testen und neue Regelalgorithmen zu entwickeln. Das besondere Interesse des ZAE Bayern gilt dem Verhalten der Phasenwechselmaterialien (PCM) unter statischen und dynamischen Bedingungen. Durch Wasserkreisläufe oder eine gezielte Konvektion über ein Lüftungssystem soll der Be- und Entladeprozess der Latentspeichermaterialien beschleunigt werden.

Phasenwechselmaterialien/Minimierung der Heiz- und Kühlleistung

Auch Siemens ist an belastbaren Daten über das Verhalten von PCM-Bauteilen interessiert, da nach eigenem Bekunden der Division Building Technologies bereits umfangreiche Erfahrungen mit der Regelung von thermoaktiven Bauteilsystemen vorliegen. „Jetzt geht es darum, diese Erkenntnisse auf PCM-Bauteile zu übertragen und die Regelalgorithmen an die Besonderheiten der Phasenwechselmaterialien anzupassen. Durch die intelligente Be- und Entladung von PCM kann der Bedarf an konventionell erzeugter Kälte und damit auch der Spitzenstrombedarf eines Gebäudes reduziert werden“, erklärt Siemens.
Ein weiteres Planungsziel des EEC ist die Minimierung konventionell erzeugter Heiz- und Kühlleistung durch intelligente Regelungs- und Steuerungskonzepte. Voraussetzung dafür sei, die Mess-, Steuerungs- und Regelungs-Funktionen sowie das Gebäudeautomatisierungssystem gezielt für ein Niedrigenergiegebäude zu planen, da der Anspruch an die Regelungsgüte und die -strategie dort ungleich höher als bei einem konventionellen Gebäude sei. Siemens: „Dazu ist es notwendig, die Energiesparfunktionen übergreifend über die einzelnen Fachgewerke intelligent miteinander zu verknüpfen und Informationen aus den Gebäudesimulationen während der Planungsphase in die Regelungsstrategien miteinzubeziehen.“ Um dies umzusetzen, setzt das Unternehmen im EEC das Gebäudeautomatisierungssystem „Desigo“ in Verbindung mit dem gewerkübergreifenden Raumautomatisierungssystem „Desigo Total Room Automation (TRA)“ ein. „Damit können auch Drittsysteme – beispielsweise intelligent arbeitende Sonnenschutzeinrichtungen – nach Energieeffizienzkriterien übersteuert werden. Durch die übergeordnete Regelung von Desigo TRA sind Gesamtoptimierungen möglich, die neue Potenziale bei der Energieeffizienz von Gebäuden erschließen“, erläutert Siemens.

Erfassung und Weiterverarbeitung der Messwerte

Da es sich beim EEC sowohl um ein Forschungsgebäude als auch um ein mit öffentlichen Mitteln gefördertes Forschungsprojekt handelt, werden an die Erfassung, Dokumentation und Weiterverarbeitung der Messwerte hohe Anforderungen gestellt. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, wurde bereits in der Planung ein gewerkübergreifendes Zähler- und Auswertungskonzept entwickelt. Von Vorteil war, dass durch die integrierte Planung die Protokolle für das Gebäudeautomatisierungssystem (BACnet), das Zählersystem für Wasser und Wärme (M-Bus) und für die Zählung und Messung elektrischer Energie (Mod-Bus) schon im Vorfeld festgelegt werden konnten.
Alle Daten aus dem „Desigo“-System inklusive der über das Energiemanagement- und Controlling-System (EMC) erfassten Verbrauchsdaten (Wärme, Kälte, Wasser, elektrischer Strom) werden über eine OPC-Schnittstelle an den sogenannten High Level Controller des ZAE Bayern weitergegeben. Diese separate Leitstelle wird u.a. zur experimentellen Programmierung neuer Regelalgorithmen eingesetzt, die über die OPC-Schnittstelle auf das BACnet-System von Desigo konvertiert werden.
Dazu Siemens abschließend: „Erst wenn sich eine neue Regelungsstrategie bewährt hat, wird diese in „Desigo“ implementiert und in der „Desigo-Bibliothek“, einer Sammlung erprobter und zuverlässiger Applikationen, für die allgemeine Verwendung verfügbar gemacht.“
www.energy-efficiency-center.de

 


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