Energieoptimale Ansteuerung von ERG-Systemen - Ein neues Verfahren spart über das Jahr bis zu 70% Energie
Das Betreiben raumlufttechnischer Anlagen in Gebäuden ist oft mit hohen Betriebs- und Energiekosten verbunden. Handelt es sich um Klimaanlagen mit den Prozessen Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten sind die Kosten besonders hoch. Es zahlt sich also aus, die Gebäudeautomationssysteme zur Regelung der Klimaanlagen genauer unter die Lupe zu nehmen. Dafür reicht es nicht aus, konventionelle Systeme einfach nur zu optimieren. Um Einsparpotenziale wirklich auszunutzen und die Energieeffizienz wesentlich zu erhöhen, bedarf es neuer, innovativer Technologien.
Bild 1: Außentemperaturabhängiger Energieverbrauch der Luftnachbereitung einer Test-RLT-Anlage mit und ohne ems4.ECONO unter realen Bedingungen. Die Quelldaten entstammen Messungen der FH-Merseburg. RLT-Anlagenaufbau: Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten, FU-betr. Ventilatoren.
Bild 2: Funktionsprinzip der optimierten Regelung (beispielhafter RLT-Anlagenaufbau).
Bild 3: Die Umsetzung bzw. die Integration des Economizer-Moduls „ems4.ECONO“ in bestehende oder neue Systeme erfolgt in zwei Schritten.
Eines dieser neuen Lösungsangebote stellt der „Digicontrol Economizer“ dar. Er nutzt neue Strategien zur Regelung von Klimaanlagen, basierend auf wissenschaftlich erarbeiteten Optimierungsalgorithmen und macht so ein großes Energieeinsparpotenzial nutzbar. Durch Ermitteln des kostenoptimalen Betriebspunktes von RLT-Anlagen werden die Luftbehandlungsstufen unter Ausnutzung des sogenannten Behaglichkeitsfeldes zu 100% energieeffizient eingesetzt. Das Funktionsprinzip wurde innerhalb eines Forschungsprojektes der Hochschule Merseburg (Prof. Dr. Sokollik) gemeinsam mit GFR entwickelt und durch GFR mit dem „Digicontrol Economizer-Modul“ umgesetzt. Das Verfahren und die Vorrichtung „ems4.ECONO“ wurden durch GFR zum Patent angemeldet.
Die erzielten Energieeinsparungen sind hoch. Bei Außentemperaturen um 15 – 20°C verspricht der Einsatz des „Economizer“-Moduls Energieeinsparungen von bis zu 100% innerhalb der Luftnachbereitung (siehe Bild 1). Über das Jahr gerechnet sind Einsparungen von 15 – 70% realistisch.
Konventionelle Regelsysteme messen die Lufttemperatur und Feuchte und steuern die Energierückgewinnungssysteme (ERG) aufgrund der errechneten Enthalpie, auch „Wärmeinhalt“ genannt. Dieses einfache Prinzip ist nicht optimal, denn eine energieoptimale Ausnutzung des Behaglichkeitsfeldes, eine Gewichtung der Luftnachbereitung nach Methode, Energiemedien und energetischer Effizienz und die daraus resultierende optimierte Regelstrategie der ERG für die Prozesse Heizen, Kühlen, Befeuchten und Entfeuchten werden nicht berücksichtigt.
Das Funktionsprinzip
Thermische Behaglichkeit herrscht nicht ausschließlich bei einem bestimmten Raumtemperatur- und Raumfeuchtesollwert, sondern innerhalb eines bestimmten Bereiches, der durch das sogenannte Behaglichkeitsfeld im h,x-Diagramm umrissen wird. Typisch für Büros, Konferenz- und Hörsäle, Klassenzimmer, Hotelzimmer, Wohnbereich und dergleichen ist ein Temperaturbereich von 20 – 24°C (max. 26°C) und ein relativer Feuchtebereich von 35 – 65%, abhängig von der Außentemperatur.
Je besser die Ausnutzung des Behaglichkeitsfeldes erfolgt, umso energieeffizienter ist der Betrieb der RLT-Anlage. Der „Digicontrol Economizer“ errechnet den kostenoptimalen Betriebspunkt innerhalb des Behaglichkeitsfeldes, der wiederum den energetisch günstigsten Betrieb bedeutet, und setzt die ERG optimiert ein. Unterstützt werden frei durch den Benutzer definierte Behaglichkeitsfelder sowie die Vorgaben der Normung nach DIN EN 15251 Kategorien I bis III und nach DIN 1946 (ersetzt durch DIN EN 13779: 2005).
Eine weitere Innovation des „Digicontrol Economizers“ ist die Gewichtung der Luftnachbereitung nach Methode, Energiemedien und energetischer Effizienz sowie die daraus folgende Ableitung der Sequenz. Der „Economizer“ berechnet und regelt den vorkonditionierten Luftzustand mittels der ERG so aus, dass die Luftnachbereitung möglichst energie- bzw. kostenoptimal arbeitet.
Die Eingangsgrößen des Algorithmus sind die Außentemperatur und Außenfeuchte sowie die Wärme- und Feuchtelast. Die Kostenfaktoren der Zielfunktion sind die spezifischen Betriebskosten des Lufterhitzers, des Luftkühlers und des Luftbefeuchters in Euro/kWh. Die Ausgangsgrößen sind die Sollwerte für Raumtemperatur und Feuchte sowie die Lufttemperatur nach der ERG und den Mischluftklappen (MLK) sowie die Regelung der ERG und MLK.
Der Einsatz dieser Technologie und die Integration in ein neues oder in ein Bestandsautomationssystem ist einfach, denn alle Regelalgorithmen sind in dem Modul „ems4.ECONO“ hinterlegt. Das Modul wird einfach auf die Hutschiene geschnappt und über Busverbinder an das „Digicontrol-Automationssystem“ (AS) gesteckt. Das Aktivieren erfolgt in der AS-Konfigurationssoftware webCADpro.
Kontakt: GFR – Gesellschaft für Regelungstechnik und Energieeinsparung GmbH, 33415 Verl, Tel. 05246 9620, info.verl@gfr.de, www.gfr.de
