DESIGN UND SYSTEMINTEGRATION VON WÄRMEPUMPEN IN NZEB MIT HILFE VON DYNAMISCH THERMISCHEN SYSTEM SIMULATIONSSTUDIEN - Am Beispiel von Aspern D12 ...
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DESIGN UND SYSTEMINTEGRATION VON WÄRMEPUMPEN IN NZEB MIT HILFE VON DYNAMISCH THERMISCHEN SYSTEM SIMULATIONSSTUDIEN Am Beispiel von Aspern D12 und der Konzernzentrale Post am Rochus Vernetzungsworkshop im Rahmen des IEA HPT Annex 49 Philip Horn 16.1.2020 Wien
DAS FORSCHUNGSPROJEKT ZU ASPERN D12
Eigentliches Projektziel:
20.01.2020 Baselinebildung für Siemens Predictive Controller 2
DAS FORSCHUNGSPROJEKT ZU ASPERN D12
Eigentliches Projektziel:
20.01.2020 Baselinebildung für Siemens Predictive Controller 3
HOCHKOMPLEXES SYSTEMMODELL IN TRNSYS
Anschluss HT-Ring Abgang FBH
• Simulationen bzw. Modellerstellung und Parametrierung
extrem zeitaufwändig v.a. das hochkomplexe
Anlagenmodell
• Auswertung der Ergebnisse ebenfalls sehr anspruchsvoll
umfangreiche Visualisierungsroutinen
• Hydraulik in TRNSYS nicht zufriedenstellend abbildbar- Fließrichtungen müssen
Anschluss Erdkreis vorgegeben werden andere Tools (Modellica?!) evtl. besser geeignet, bzw. bei
komplexen Anlagen Hydrauliksimulationen empfehlenswert?
20.01.2020 4
MODELVALIDIERUNG RINGLEITUNG/ERZEUGUNG
Gegenüberstellung von Simulation
und Monitoringdaten von erzeugter
Wärmemenge mittels
Wärmepumpen, sowie Speicher-
Ladung und Entladung im
Niedertemperatur-Ring für 4 Tage im
Februar 2017
Relativ gute Übereinstimmung der Systemdynamik
Leistungsunterschiede u.a. aufgrund unterschiedlicher Inbetriebnahmereihenfolge der Wärmepumpen und
unterschiedliche Speicherüberschüsse
20.01.2020 5
LESSONS LEARNED
• Gebäude- und Anlagenmodell über Monitoring validiert
• Hydraulik in TRNSYS nicht zufriedenstellend abbildbar- Fließrichtungen müssen vorgegeben werden
• andere Tools (Modellica) evtl. besser geeignet, bzw. bei komplexen Anlagen Hydrauliksimulationen
empfehlenswert?
• Hoher Aufwand für einen speziellen Zweck (Baseline für Siemens-Regler.
• Kosten/Nutzen: nur in Forschungsprojekten realisierbar
• Dennoch konnten Installationsfehler durch Simulation & Messdatenanalyse erkannt werden, wäre wohl
aber auch mit anderen Mitteln möglich gewesen…
20.01.2020 6
Konzernzentrale Post am Rochus
Ein Versuch zur "richtigen integralen Planung" und Inbetriebnahme
Gebäudeinformationen:
Bürogebäude + Einkaufszentrum; Bruttogeschossfläche: ca. 48.000 m²
Neubau und Sanierung; Seit September 2017 in Betrieb
© Post AG
Zielstellung Deutliche Verkürzung der Inbetriebnahme Phase durch:
• Wissenschaftliche Planungsunterstützung & Monitoringauswertungen
• Entwicklung und Optimierung von Regelungsszenarien (Free-Cooling, Sollwerte, Pufferbe/-entladung, ...)
• Controller in the loop: Kopplung der realen Hardware mit Simulationen zur Funktionsprüfung
20.01.2020 7
Funded by the Austrian Research Promotion Agency and the BMVIT within the „Stadt der Zukunft“ funding frame
Konzernzentrale Post am Rochus
Systemübersicht
20.01.2020 8
Funded by the Austrian Research Promotion Agency and the BMVIT within the „Stadt der Zukunft“ funding frame
Konzernzentrale Post am Rochus
Systemübersicht und Betriebsstrategien
Beispiel:
Wärmerückgewinnung aus Rückkühlern zur Entfeuchtung
20.01.2020 9
Funded by the Austrian Research Promotion Agency and the BMVIT within the „Stadt der Zukunft“ funding frameAUSARBEITUNG VON REGELSTRATEGIEN
Ausarbeitung detaillierter Regelstrategien in Kooperation mit der ausführenden MSR
Firma. Definiert werden u.a.:
• Sollwert (-kurven)
• Hysteresen
• Zeitschaltprogramme &Nachlaufzeiten
• Kennlinien
• Ein-Ausschaltpunktverschiebungen
20.01.2020 10BEWERTUNG UND OPTIMIERUNG VON
REGELSTRATEGIEN
1. Erstellung und Validierung der Komponentenmodelle (z.B. Wärmepumpe)
2. Erstellung und “Prüfung” des Systemmodells in TRNSYS
3. Simulative Bewertung (Energieeffizienz/ Kosten) der unterschiedlichen Varianten
4. Check der Regelstrategien durch MSR-Firma für Machbarkeit in späteren Engineering in
einem frühen Projektstadium
5. Untersuchung potentieller Fehlerfälle (nach Rückmeldung von FM)
6. Erkenntnisse aus Simulationsstudien (z.B. Regelbeschreibung) in Funktionsbeschreibung
MSR übernehmen!
Simulationsergebnisse geben MSR-Firma zu einem früheren Zeitpunkt wesentliche Inputs für das
Engineering der Anlagenregelung
Schwerpunkte der System Simulationen:
• Teillast-Betriebsstrategien
• Integration von Free-Cooling (mit den Rückkühlern und zwei Sprinklertanks als thermischer Puffer)
• Wärmerückgewinnung (Verdampfer speist das Nachheizregister bei Entfeuchtung im Sommer)
20.01.2020
11TEST EINZELNER REGELSTRATEGIEN IN ECHTER HARDWARE 20.01.2020 12
Post am Rochus
Ausgewählte Ergebnisse
• Parametrische Simulationen von Regelungsstrategien beschleunigten die Inbetriebnahmephase
deutlich
• Monitoringdaten wurden mit Simulationen abgeglichen und das System angepasst
• Controller in the loop test deckte Fehler im Steuerungscode auf
• Hydraulische Probleme verursachten häufiges Ein/Aus-schalten der Kältemaschine, obwohl freie
Kühlung möglich gewesen wäre.
• Gebäude verbraucht weniger Energie als geplant
• Das bedeutet nicht unbedingt, dass es gut funktioniert...
20.01.2020 13
Funded by the Austrian Research Promotion Agency and the BMVIT within the „Stadt der Zukunft“ funding frameENABLING FACTORS
Integrale Planung
• Frühzeitige und kontinuierliche Einbindung ALLER relevanten Parteien (HLK-Planung,
Regelungstechnik, Betrieb/FM, Überwachung, Rechtsabteilung, Führungsebene)
• Detaillierte HLK-Auslegung einschließlich der Definition von Teillastszenarien
• Definition von Leistungszielen/Indikatoren einschließlich deren detaillierter Berechnung und
Festlegung des notwendigen Monitoring für ALLE Phasen (d.h. Konstruktion, Inbetriebnahme,
Regelbetrieb, etc. ...)
• Definition des Qualitätsmanagementsystems mit Fokus u.a. auf Übergabe(n) und Dokumentation
"Echte Kommissionierung„
• Mehrstufiger Prozess, d.h. Inbetriebnahme des Kühlsystems in der Kühlperiode, auch wenn die
Standardkommissionierung im Winter erfolgen würde
• Einbeziehung einfacher Funktionsprüfungen auf verschiedenen Ebenen (Steuerlogik, Aktoren, ...),
d.h. Manipulation der Temperatursollwerte und Validierung über Monitoring.
• Wöchentliche Besprechungen in den ersten Wochen mit dem Planungs- und Facility Management-
Team, um Probleme zu besprechen und zu beheben und das System den Betreibern zu "erklären"
20.01.2020 14LESSONS LEARNED/ RECCOMENDATIONS „Komplexität vs. Funktionalität“ Provokant: Was nicht simuliert/einfach erklärt werden kann, sollte man nicht bauen… Was sind die Zielwerte für den Gebäudebetrieb? Zielwerte ändern sich z.B. in den ca. 5 Jahren zwischen Planung und Inbetriebnahme Was ist die Baseline? Nachparametrierung der Modelle !! Rechtliche Aspekte sind äußerst wichtig und Verträge (Energie-Contracting, Betriebsführung, Inbetriebnahme, Mietertarife und -pflichten) müssen gut durchdacht sein Verkürzung der Inbetriebnahmephase ist u.a. von folgenden Faktoren abhängig: • funktionale Qualitätssicherung auf Einzelkomponentenebene • korrekte hydraulische Einregulierung der HKL Anlagenteile • geeignete Regelstrategien auf Systemebene (durch Simulationsstudien…) 20.01.2020 15
THANK YOU! Philip Horn Philip.horn@ait.ac.at
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