und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und
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Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Universität der Bundeswehr München, Institut für Mess- und Automatisierungstechnik XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. Folie 1 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Inhalt Ziel •Energieeinsparung bei gleichzeitiger Sicherung der Behaglichkeit Ansätze •Energieeinsparung durch bedarfsgerechte Heizung und Lüftung Problem •Aufgabenstellung Methoden •Stand der Erfassung thermischer Gebäudezustände Behaglichkeit •Bauphysikalisches Raummodell zur Messung der Behaglichkeit Energieeinsparung •Modellgestützte Messung der Energieeinsparung durch veränderte . Betriebsbedingungen Technische Basis •Aufbau der Testplattform •Zusammenfassung und Ausblick XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. Folie 2 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Energieeinsparung Ziel Treibhauseffekt Ansätze Antropogene CO2-Emission durch Erzeugung von Energie Problem Ca. 14% Primärenergie wird in Methoden Deutschland für Heizung verbraucht Behaglichkeit Heizenergieeinsparung Energieeinsparung Technische Basis Sicherstellung der Behaglichkeit XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. Minderung der Heizenergie verringerte Behaglichkeit Folie 3 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Behaglichkeit Ziel Die technische Definition der thermischen Behaglichkeit erfolgt über den PMV-Wert [EN ISO 7730] Ansätze ⎡M ⎡ ⎤ M PMV = 0.352e −0.042 ( M / ADu ) + 0.032 ⋅ ⎢ (1 − η ) − 0.35⎢43 − 0.061 (1 − η ) − pa ⎥ − ADu ⎣ ⎦ ⎣ ADu Problem ⎡M ⎤ M M − 0.42 ⎢ (1 − η ) − 50⎥ − 0.0023 (44 − pa ) − 0.014 (34 − t a ) − 3.4 ⋅10 −8 f cl ⋅ ADu ADu ⎣ ADu ⎦ ⋅ (tcl + 273) 4 − (t mrt + 273) 4 + f cl hc (tcl − t a ) [ Methoden Icl t cl Behaglichkeit f cl ta t mrt Energieeinsparung Technische Basis ADu pa hc ) ] ] - Thermischer Wiederstand der Kleidung - Kleidungstemperatur - Verhältnisrate zwischen bekleideter und . nackter Oberfläche des menschlichen . Körpers - Lufttemperatur - mittlere Strahlungstemperatur - Oberfläche des menschlichen Körpers - Luftdruck - konvektiver Wärmeübertragungskoeffizient η - mechanische Effektivität der menschlichen Arbeit M - Energieumsatz des menschlichen Körpers Vorausgesagter Prozentsatz Unzufriedener ( % 80 60 40 30 20 10 8 6 5 Schwellwert -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0 0,5 1,0 1,5 2,0 PMV XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. Folie 4 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Bedarfsgerechte Heizung und Lüftung Ziel Konventionelle TGA P - Regelung Raumlufttemperatur Basistemperatur Ansätze Zeit Anwesenheitsbeeinflußte TGA möglich: PI, PID – Regelung, und adaptive Regelung Raumlufttemperatur Problem Basistemperatur Absenkungstemperatur Zeit Methoden Aktivitätsbeeinflußte TGA Möglich: PID adaptive Regelung, Fuzzy usw. Raumlufttemperatur Basistemperatur Behaglichkeit (etwas tiefer als in allen anderen Beispielen) Zeit Aktivitätsbeeinflußte sowie Anwesenheitsbeeinflußte TGA Raumlufttemperatur Energieeinsparung XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. Abwesend 11:30 13:00 Zeit Sitzend 8:00 Abwesend 6:00 Badend Schlafend 21:00 23:00 Abwesend 16:00 Haushaltarbeit 12:00 Abwesend Technische Basis Sitzend Absenkungstemperatur Folie 5 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Problem Ziel 1. Häufige Zustandsänderungen im Raum 2. Geringe Behaglichkeit Behaglichkeit Legende: - Heizenergie - Wärmegewinne Energieeinsparung - Transmissionswärme Technische Basis - Lüftungswärme - Behaglichkeitsbereich XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. Stationär Heute (dynamisch) Personenbezogene Parameter Früher (quasistationär) Methoden Umgebungsvariablen Problem Nicht stationär Größen zur Berechnung der thermischen Behaglichkeit nach EN ISO 7730 Ansätze Lufttemperatur X X Luftgeschwindigkeit X (X) Luftfeuchte X (X) Strahlungstemperatur X Luftdruck X Bekleidung (X) Energieumsatz (X) Mechanische Leistung (X) Folie 6 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Aufgabenstellung Ziel Messung Ansätze Behaglichkeit Zustandsregler Energieverbrauch Problem Objekt (Raum) Methoden Behaglichkeit Messung der Behaglichkeit in jedem Raum? Energieeinsparung Technische Basis XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. Folie 7 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Modellgestützte Messung des PMV Ziel Messung (modellgestützt) Ansätze Problem Phänomene Methoden Behaglichkeit Energieeinsparung Technische Basis Weiterentwickeltes Modell Modell nach Glück Wärmeleitung Konvektion Strahlung (langwellig) Strahlung (kurzwellig) Luftstrom Innere Wärmequellen Klima Anlagen + ++1 ++ ++ ++ ++ + + + ++ + ++ 1 Systemanalyse (Wärmebilanzen, Massenstrombilanzen) XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. ++ - sehr zutreffend + - zutreffend Folie 8 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Bauphysikalisches Raummodell Ziel Ansätze Einganggrößen: •Variablen •Wetterdaten •Temperaturen in den Nebenräumen •Anwesenheitsdaten •Elektrische Verbrauchsdata Problem Methoden Behaglichkeit Energieeinsparung Technische Basis •Parameter •Geometrie •Wandstruktur •Elektrische Verbraucher Aus wenigen, leicht messbaren physikalischen Größen wird der thermodynamische Zustand in jedem Punkt des Raumes ermittelt Ausganggrößen: • Verteilung der Lufttemperatur • Verteilung der Wandtemperatur • Verteilung des PMV-Wertes • Strahlungsasymetrie XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. Folie 9 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Ziel 24 °C Bauphysikalisches Raummodell Ansätze Berechnung der Temperatur in den waagerechten Luftschichten durch Lösung der Kontinuitätsgleichung des Massentransportes, der Bewegungsgleichung und der Energiebilanz nach der Ähnlichkeitstheorie ⎧ 0,155 ⋅ Ra 0,333 , Ra > 4 ⋅ 10 7 , Problem z.B. Nu = ⎨ Methoden Behaglichkeit − (1− ε2)F12 1 ⎡ ⎢ − (1− ε )F 1 1 21 ⎢ ⎢ # # ⎢ − (1− ε2)Fi 2 ⎢ − (1− ε1)Fi1 ⎢ # # ⎢ ( ) ( − − − − ε F ε 1 1 i max i max1 i max)Fi max2 ⎣ " − (1− εi max)F1i max⎤ ⎡ f1 + aA1 ⋅ fFD + 0 ⎤ ⎡ ε1 ⋅ σ ⋅T14 ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ " − (1− εi max)F2i max⎥ ⎢ f2 + aA2 ⋅ fFD + 0 ⎥ ⎢ ε2 ⋅ σ ⋅T24 ⎥ ⎥ ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ ⎢ # # # # ⎥ =⎢ ⎥⋅ ⎢ 4 ⎥ " − (1− εi max)Fi maxi ⎥ ⎢ fi + aAi ⋅ fFD + fFIi ⎥ ⎢ εi ⋅ σ ⋅Ti ⎥ ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ ⎢ # # # # ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ ⎢ 4 1 " ⎦ ⎣⎢fi max + aAmax⋅ fFD + 0⎦⎥ ⎣⎢εi max⋅ σ ⋅Ti max⎦⎥ 3 10 A1 Fenster A2 XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. A5 Sonnenfleck A7 αstr A9 Die Mitte des Sonnenstrahles λ1 t zeit +1,ort = t zeit ,ort + 2 ⋅ Δτ A3 rson D A10 Numerische Berechnung der Temperaturprofile in der Wand A4 γstr E Berechnung des Strahlungsaustausches im Innenraum unter Berücksichtigung der Sonnenstrahlung Technische Basis A6 C B Energieeinsparung Waermestrom nach oben ⎩0,485 ⋅ Ra , 3 ⋅ 10 < Ra < 3 ⋅ 10 ,Waermestrom nach unten 21 0 ,2 Δx 1 (t A11 zeit ,ort −1 − t zeit ,ort ) − A8 – Zugeordnete Fläche λ2 (t zeit,ort − t zeit,ort +1 ) Δx 2 Δx1 ρ 1c 1 + Δx 2 ρ 2 c 2 Folie 10 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Modellgestützte Messung der thermischen Behaglichkeit Ziel Ansätze Problem Methoden Behaglichkeit Energieeinsparung Temperaturprofil in der Mitte des Raumes Technische Basis Beispiele für Mess- und Berechnungsergebnisse bei sprunghafter Erwärmung der Raumluft im Büro (Raum 0103 des Forschungshauses) XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. Folie 11 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Modellgestützte Messung der Energieeinsparung Ziel Ansätze Kombination der meßtechnischen und theoretischen Ergebnisse: Keine Zwillingshäuser vorhanden: Problem -- konventionell (Energieverbrauch gemessen) -- anwesenheitsbeeinflusst (Energieverbrauch gemessen) -------------------------------------------------------------= Heizenergieeinsparung Methoden konventionell (Energieverbrauch berechnet) anwesenheitsbeeinflusst (Energieverbrauch gemessen) -------------------------------------------------------------= Heizenergieeinsparung Behaglichkeit CO2-Zuführ Energieeinsparung Anwesenheit Kinderzimmer Familien -Wohnung 2 1 Technische Basis Wärmelastsimulator h KKW -Lüftung max 44 36 22 18 5 h CO 2-Produktion, l/h 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 32 4 h Beispielhaftes Szenario für das Kinderzimmer in der Familien-Wohnung XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. Folie 12 5 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Experimenteller Nachweis der Energieeinsparung Ziel Familien-Wohnung (Dauer 7 d) Ansätze Heizenergie Problem Methoden Behaglichkeit Zusätzilche Elektroenergie Single-Wohnung (Dauer 7 d) Zusätzilche Elektroenergie Heizenergie Energieverbrauch bei konventioneller Betriebweise QHk 428 kWh 0 253 kWh 0 Energieverbrauch bei anwesenheitsbeeinflusster Betriebweise Qha 385 kWh 9,52 kWh 200 kWh 5,04 kWh 44 kWh -9,52 kWh 53 kWh -5,04 kWh Energieeinsparung 9,8 % 21,3 % Gewichteter Mittelwert 16,9 % Energieeinsparung Äquivalenter Verbrauch Gesamteinsparung Technische Basis -24,01 kWh 2,8 kWh/d Mittlere Außentemperatur Abschätzung der Heizenergieeinsparung umgerechnet auf 4°C 0,13 t/a CO2 12,74 kWh 5,7 kWh/d -2,4 °C 10,2 % XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. 0,46 t/a CO2 -3,2°C 21,5% Gewichteter Mittelwert 17,2% Folie 13 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Messsystem Ziel LAN vorgefertigtes Gebäude Gesamtfläche von 235 m² (Erdgeschoss 77 m² Büro mit 10 m² und Wohnzimmer 38 m²) Ansätze Sensoren, Aktoren Einzelraumregelung - Wohnzimmer Messung der Innenbedingungen N S M-Bus Messung der Außenbedingungen Behaglichkeit EIB Versuchsteil Versuchsräume: - Büro 1-Wire Methoden SQL Problem Energieeinsparung Feldbusgateway, Logger und Datenbank EG Technische Basis Zentrale Steuerung Versuchshaus SmartHOME (gebaut Fa. Regnauer, Seebruck) Legende: - Temperatursensor - Feuchtesensor XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. - CO2 Sensor - Luftgeschwindigkeitssensor - Winkelsensor Folie 14 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Versuchshaus Smart HOME Ziel Drahtlose LAN Drahtlose LAN Ansätze Manuelle Steuerung Visualisierung URL: http://smarthome.unibw-muenchen.de Methoden Web Browser und WAP Handy HTTP, WAP LAN, SQL Problem Behaglichkeit Energieeinsparung Technische Basis SQL Feldbusgateway, Logger und Datenbank XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. Web Server und Firewall Folie 15 Konstantyn Spasokukotskiy, Michael Horn, Hans-Rolf Tränkler Modellgestütztes Mess- und Automatisierungssystem zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung Zusammenfassung Ziel •Analyse der Energieeinsparungsmöglichkeiten im Gebäude Ansätze •Analyse der notwendigen Bedingungen für die Sicherung der Behaglichkeit Problem •Einführung neuer Regelgröße: PMV-Wert Methoden Behaglichkeit •Entwicklung einer Methode zur modellgestützten Messung des PMVWertes und anderer physikalischer Größen im Raum innerhalb des Mess- und Automatisierungssystems zur bedarfsgerechten Heizung und Lüftung •Entwicklung einer Methode zur on-line Bestimmung der Reglerparameter auf der Basis bauphysikalischer Modelle Energieeinsparung Technische Basis •Experimentelle modellgestützte Messung der Energieeinsparung durch anwesenheitsbeeinflußte Heizung und Lüftung (Heizenergie-Einsparpotential ca. 10...20 %) XVI. Messtechnisches Symposium 30.09 – 1.10.2002 Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. Folie 16
