Zwischenbericht 2 - Januar 2008

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1 Zwischenbericht 2 - Januar 2008 ZE: Förderkennzeichen: ennovatis GmbH Großpösna B Vorhabensbezeichnung: ModBen: Entwicklung eines Verfahrens zur modellbasierten Betriebsanalyse Laufzeit des Vorhabens: Berichtszeitraum: Wissenschaftlich technische Ergebnisse Das Energie-Einsparpotenzial im Bereich der Betriebsführung von Gebäuden liegt bei 5-30%. Dies gilt insbesondere für den Bestand an Nicht-Wohngebäuden. Allerdings ist es heute im Bereich der technischen Anlagen für Gebäude gängige Praxis, dass eine kontinuierliche Überwachung im Sinne der Sicherstellung oder Erreichung eines energieeffizienten Betriebs nicht stattfindet. Im Rahmen des Projekts soll ein modellbasiertes Verfahren entwickelt werden, das einerseits die Randbedingungen der Praxis wie geringe Datengrundlage und Kostenbeschränkungen berücksichtigt, andererseits jedoch in der Lage ist weitgehend automatisiert die Energiebilanz des Gebäudes zu ermitteln, mögliche Einsparpotenziale zu identifizieren sowie den optimierten Betrieb zu überwachen. Das Verfahren soll an 5 Demonstrationsgebäuden evaluiert und über einen Zeitraum von 20 Monaten kontinuierlich verbessert werden. Bisher wurden folgende Hauptergebnisse erzielt: Neben der modellbasierten Auswertung des Gebäudebetriebs wurde die intelligente Visualisierung von Messdaten als wertvolle Ergänzung identifiziert. Als möglicher Einstieg in die modellbasierte Auswertung des Gebäudebetriebs wurde von ennovatis der Energieausweis gewählt. Dafür werden in der EnEV Wege vorgegeben, wie mit den Einschränkungen geringe Datengrundlage und Kostenbeschränkungen umgegangen werden kann. Als erstes Demogebäude wurde das ennovatis Bürogebäude ausgewählt. Alle Arbeiten wurden in Absprache und enger Kooperation mit dem Partner FhG-ISE durchgeführt. Zum Teil erfolgten gegenseitige Schulungen und ein Tausch von Mitarbeitern. Dies gilt insbesondere für die Verfügbarmachung der ennovatis Tools bei FhG-ISE und die Arbeiten zur Ankoppelung von EnergyPlus. 2 Stand des Vorhabens Die Arbeiten sollen in insgesamt 7 Arbeitspunkten durchgeführt werden. Den aktuellen Zeitplan findet man in Abbildung 1 AP Bezeichnung soll ist PM soll PM ist AP 1 Auswahl der Referenzobjekte / 10/06-12/07 abg. 6 6 Bestandsaufnahme AP 2 Erstellung einer einheitlichen 10/06-12/07 abg. 3 3 Analysestruktur AP 3 Erstellung der Basisversion des 01/07-07/08 i.a. 9 6 Verfahrens AP 4 Programmtechnische Umsetzung von 07/07-04/ Trainingsalgorithmen für die Modelle AP 5 Entwicklung von Algorithmen zur 09/07-10/09 i.a. 9 1 Betriebsoptimierung und -überwachung AP 6 Kontinuierliche Betriebsanalyse und 10/07-12/09 i.a Validierung des Verfahrens AP 7 Zentrale Aufgaben 10/06-02/10 i.a. 6 1 Tab. 1: Die Arbeitspunkte von ennovatis 1

2 Abbildung 1: Aktueller Zeitplan 2

3 Nach dem Eintritt von M+W Zander konnten die Arbeiten bezüglich der Demonstrationsgebäude zügig angegangen werden. Trotzdem wurde beim Projektträger eine kostenneutrale Laufzeitverlängerung von 4 Monaten beantragt und bereits mündlich genehmigt, um eine Monitoringphase von mindestens 20 Monaten für die Gebäude sicherzustellen. Die Projektziele sind durch die noch vorhandene Verzögerung im Projekt in keiner Weise gefährdet Im Berichtszeitraum wurde an folgenden AP gearbeitet: AP 1 Auswahl der Referenzobjekte / Bestandsaufnahme Als erstes Referenzgebäude wurde das ennovatis Bürogebäude in Großpösna ausgewählt. Das Gebäude und seine Modellierung wurden im letzten Bericht beschrieben. Zur Darstellung der Ergebnisse am Referenzgebäude wurde ein eigenes Portal entwickelt, über das aktuelle Messdaten und zukünftige Ergebnisse wie die modellbasierten Interpretationen dargestellt werden (Online Daten zum Demogebäude Großpösna (vorläufig) Abbildung 2 zeigt die Einstiegseite. Abbildung 2 Portal zur Darstellung der Ergebnisse für das Referenzgebäude Großpösna Das Portal ist in Deutsch und englisch verfügbar. Zur Zeit sind beide Versionen noch nicht konsistent. Sie zeigen aber unser prinzipielles Vorgehen und unsere Intensionen. Abbildung 3 zeigt beispielhaft die Seite, über die der Energiebericht eingesehen werden kann. Er enthält auch erste Vergleiche mit Rechnungen nach der DIN und dem ennovatis Programm ennovatis Planning bzw. in de englischen Version mit E+ 3

4 Abbildung 3: Energiebericht Neben einer kurzen Beschreibung der Inhalte des Berichtes zeigt dieses Bild auch die Struktur der Informationen im Portal. Sie umfasst: Die Gebäudebeschreibung (AP1) Die Energieausweise (Beispiel siehe Abbildung 4) Die gemessenen Daten in verschiedenen Darstellungen entsprechend dem Konzept der intelligenten Betriebsdatenerfassung (intelligent monitoring) (AP 3) Die Überwachung des Energieverbrauches mittels regelbasierter Methoden (AP 5) Die Überwachung des Energieverbrauches mittels modellbasierter Methoden (AP 6) Die Energieberichte (AP 2 und AP 4) Auf den einzelnen Seiten wird der Fortgang unserer Arbeiten aktuell dokumentiert und mit Beispielen aus der Analyse des Demogebäudes hinterlegt werden 4

5 . Abbildung 4: Energieausweis für das Bürogebäude Großpösna 5

6 AP 2 Erstellung einer einheitlichen Analysestruktur Die Entwicklung ist abgeschlossen und wurde von FhG-ISE im Bericht Modellbasierte Betriebsanalyse Schritte bei der Gebäudeanalyse dokumentiert. Wichtigstes Ergebnis ist die folgende, vom FhG-ISE erstellte Tabelle, die eine Übersicht der 4 Stufen der Auditierung eines Gebäudes beschreibt. Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Stufe 4 Name Benchmarking Bestandsdatenerfassung und Zertifizierung Analyse und Optimierung Betriebsüberwachung Beschreibung Grobe Zusammenstellung Verbrauchs- und Bestandsdaten. Erste Einordnung / erste Baseline. Detaillierte Bestandsdatenerfassung und Erstellung des Bedarfsausweis (DIN 18599) Analyse des Gebäudebetriebs, Identifikation und Umsetzung von Einsparmaßnahmen, Optimierung des Betriebs Aufrechterhalten des optimierten Betriebs Bestandsdaten Grobe Gebäudebeschreibung (Baujahr, Flächen, Nutzung) Entsprechend DIN Für Detailuntersuchungen (nur wenn notwendig) Keine zusätzlichen Messdaten Abrechnungen / Zählerablesungen (jährlich / monatlich) Keine Mindestdatensatz (stündlich) + weitere für Detailuntersuchungen (nur wenn notwendig) Minimal möglicher Datensatz Analyse Benchmarks (jährlich) Energiesignaturen (monatlich) Detaillierte Energiebilanz Primärenergiebedarf Aufwandszahlen Modellbasierte Analyse: FDD (Standard-Analyse ) Optimierung (Systemspezifische Analyse) Überwachung des Energieverbrauchs als Hauptindikator zusätzliche Arbeiten Keine Installation der Datenerfassung / Datentransfer für stündliche Daten Umsetzung von Energiesparmaßnahmen Keine Ergebnisse Erste Einordnung / erste Baseline Bedarfsausweis Theoretischer Zielwert Fehlerfreier / optimierter Betrieb Nachweis der Energieeinsparung Nachhaltig energieeffizienter Betrieb Werkzeuge checkliste_1 checkliste_2 ISE Analyse framework Simulation (IDA-ICE)? Tab. 2: Die 4 Stufen des Energieauditing AP 3/AP 4 Erstellung der Basisversion des Verfahrens/ Programmtechnische Umsetzung von Trainingsalgorithmen für die Modelle Wie schon im letzten Zwischenbericht beschrieben setzt ennovatis auf eine Lösung auf Basis eines Building Information Model BIM. Kern ist die 3D Modellierung des Gebäudes wie sie vom Architekten erstellt wird oder zur Erstellung des bedarfsorientierten Energieausweises erzeugt werden muss. Von daher untersuchten wir zunächst, ob und wie mit diesen geometrischen Modellen und unterschiedlichen zeitlichen Auflösungen und anlagentechnischen Beschreibungen vergleichbare Ergebnisse erzielt werden können. Im Berichtszeitraum beschäftigten wir uns schwerpunktmäßig mit Vergleichen von Ergebnissen von DIN Rechnungen mit solchen von ennovatis Planning und dem amerikanischen Programm Energy+. Die folgenden Abbildungen zeigen typische Ergebnisse. 6

7 4.00E E E E+11 Energy [J] 2.00E+11 Heizbedarf DIN V Heizbedarf E+ Primaerenergie DIN V Primaerenergie E+ 1.50E E E E+00 Annual Abbildung 5: Vergleich der Jahreswerte von Heiz- und Primärenergiebedarf nach DIN und E+ 8.00E E E E+10 Energy [J] 4.00E E+10 Heizbedarf DIN V Heizbedarf E+ Primaerenergie DIN V Primaerenergie E+ 2.00E E E+00 January February March April May June July August September October November December Abbildung 6 Vergleich der Monatswerte von Heiz- und Primärenergiebedarf nach DIN und E+ E+ und DIN verwenden unterschiedliche Wetterdaten für die einzelnen Monate. Daraus erklären sich die Abweichungen bei den Monatsvergleichen. Die gute Übereinstimmung der Jahreswerte entspricht der, die wir schon im letzten Zwischenbericht für den Vergleich mit VEC gezeigt haben 7

8 Als Basis der programmtechnischen Umsetzung wurde zusammen mit FhG-ISE ein Analyse-Frameworks entwickelt. Dieses basiert auf plattformunabhängigen open source tools, die weite Verbreitung im wissenschaftlichen Bereich haben (python, scipy, R). In das Analyse Framework sind Programmbibliotheken zur Visualisierung, für black box Modelle (statistische Analysen, Neuronale Netze) und White/gray box Modelle (Modelle mit physikalisch bedeutsamen Parametern) integriert. Die technischen Voraussetzungen für die Anbindung des ennovatis Systems an das Analyse-Framework wurden geschaffen. Damit ist es möglich die Daten, die über das ennovatis System bereit gestellt werden (Bestandsdaten, Messdaten und Berechnungen), zur Analyse zu verwenden. AP 5 Entwicklung von Algorithmen zur Betriebsoptimierung und überwachung In früheren Projekten haben wir uns primär mit graphischen und statistischen Verfahren zur Betriebsüberwachung beschäftigt. In der Literatur fingieren diese unter dem Begriff intelligent metering. Diese Verfahren haben wir jetzt um Methoden zur regelbasierten Betriebsüberwachung ergänzt. Komplexere Überwachungen realisieren wir über ennovatis Controlling. Dort ist es möglich Zeitreihen aus beliebigen Quellen einzugeben und sie direkt oder über Performance Indizes zu vergleichen. Die folgende Abbildung 7 zeigt eine einfache Umsetzung. Je nach Ergebnis des Vergleiches kann als Reaktion entweder eine Meldung oder eine Freigabe des plausibilierten Messwertes erfolgen. Abbildung 7 Vergleich zweier Zeitreihen über ennovatis Controlling Natürlich können diese Vergleiche auch graphisch dargestellt werden. Diese Technik wird etwa von unserem Partner HOCHTIEF in einem Projekt in Offenbach und für Energieberichte erfolgreich eingesetzt. 8

9 Abbildung 8 Temperaturüberwachung in einer Schule Man erkennt leicht die zu hohen Temperaturen vor allem gegen Abend. Hier wäre eine Fahrweise, die zu einer Temperaturabsenkung von etwa 2 o C führt, möglich. Die grauen Bereiche markieren Zeiten, in denen sich beliebige hier möglichst niedrige - Temperaturen einstellen können. AP 6 Kontinuierliche Betriebsanalyse und Validierung des Verfahrens Um eine kontinuierliche Betriebsanalyse durchführen zu können, muss man neben den aktuellen Wetterdaten auch die aktuelle Nutzung kennen. Für einfache Gebäude wie etwa das Demogebäude Großpösna, können der tatsächliche Mitarbeiterstand und die tatsächliche Anwesenheit etwa mit Hilfe der stündlichen Wasserverbräuche ermittelt werden. Abbildung 9 zeigt als Beispiel den stündlichen Wasserverbrauch in KW Im Diagramm ist der stündliche Wasserverbrauch für die WC-Benutzung, Händewaschen und Abwasch zu erkennen. In der Nacht und am Wochenende ist kein Wasserverbrauch messbar. Leckverluste, die in der nutzungsfreien Zeit erkennbar wären, traten nicht auf. 9

10 Abbildung 9: stündlicher Wasserverbrauch in KW Daraus und aus dem schn früher gezeigten Bild des Stromverbrauches haben wir auf die inneren Lasen geschlossen Tab. 3: Kalenderwoche 17 Vergleich Wasser- und Stromverbrauch sowie innere Lasten Die unterschiedliche Anzahl der Personen wurde aus dem variierenden Wasserverbrauch ermittelt. Pro Person wurde ein täglicher durchschnittlicher Wasserverbrauch von 25 l angenommen. Der erhöhte Strom- und Wasserverbrauch am entstand aufgrund von Reinigungsarbeiten. Um aus den Verbrauchswerten eine Nutzerzahl zu ermitteln, muss eine gleichmäßige, bewertbare Nutzung vorliegen. Wäre in dem angegebenen Beispiel nicht bekannt gewesen, dass am Reinigungsarbeiten durchgeführt wurden, hätte man auch fälschlicherweise auf eine größere Nutzerzahl schließen können. AP 7 Zentrale Aufgaben Ennovatis hat an den Projektsitzungen teilgenommen und das Projekt auf dem BuildingEQ Expert Meeting in Kornwestheim vorgestellt. 1

11 Unterauftrag FhG-ISE Die Unteraufträge an FhG-ISE werden entsprechend dem Projektfortschritt und den Anforderungen des Projektes erteilt. Als Aufgabe für die ersten beiden Quartale wurde die Anbindung des amerikanischen Simulationsprogramms E+ an VEC vereinbart. Dies erfolgt in enger Kooperation mit den Entwicklern von E+ und der finnischen Firma Granlund, die den BSPro Konverter geschrieben hat. Als Folge dieser Kooperation sind die unter den Arbeitspunkten beschriebenen Ergebnisse entstanden. Die Kopplung VEC - E+ wurde durchgeführt. Selbst komplexe Gebäude wie das DVZ Barnim konnten so in E+ nach geringer Nachbearbeitung dargestellt und berechnet werden. Abbildung 10: Gebäude DVZ Barnim: Resultierendes EnergyPlus Model dargestellt als DWG Datei Dabei ergab sich aber, dass für die deutschen Verhältnisse wichtige Anlagensysteme nicht oder nur unzureichend in E+ modelliert werden können. Die Entwicklung wurde daher an diesem Punkt eingestellt. Ein von FhG-ISE durchgeführter Vergleich verschiedener Alternativen ergab, dass momentan IDA-ICE am besten geeignet erscheint, da es sowohl einen gleichungsbasierten Ansatz verfolgt sowie bereits validierte Modelle für Gebäude und haus-technische Komponenten liefert. Weiterhin ist IDA-ICE in der Lage IFC Modelle der Gebäudegeometrie direkt zu importieren. Diese Funktionalität wurde allerdings noch nicht getestet. Eine Auskunft zu den Lizenzkosten bei der Einbindung als Modul in die Software von ennovatis steht ebenfalls noch aus. Im Januar 2008 findet ein Termin mit dem Entwickler statt, der die offenen Fragen klären soll. Wie schon unter AP 2 angeführt wurden die technischen Voraussetzungen für die Anbindung des ennovatis Systems an das Analyse-Framework geschaffen. Damit ist es möglich die Daten, die über das ennovatis-system bereit gestellt werden (Bestandsdaten, Messdaten und Berechnungen), zur Analyse zu verwenden. Die Entscheidung für die Detailanalysen statt auf E+ auf IDA-ICE zu setzen, wurde in ähnlicher Weise und aus ähnlichen Gründen auch von unseren dänischen Partnern im Annex 46 getroffen. Das stützt diese Entscheidung der Projektpartner. 1

12 . Analyse Framew ork basierend auf open source tools (python, matplotlib, scipy, R) Matlab als Testumgebung Bibliotheken in Entwicklung : Visualisierung Statistische Analyse Modellbasierte Verfahren ennovatis System Bestandsdaten Messdaten Berechnungsmethoden (EN 832, DIN 4801, DIN 18599, VDI 2067) IDA-ICE / SE Abbildung 11: Schema des Analyse-Frameworks und der Integration der verschiedenen Werkzeuge 3 Erreichung der Ziele Die Aussichten auf Erreichen der Ziele des Vorhabens innerhalb des angegebenen Kostenrahmens haben sich im Berichtszeitraum nicht geändert. 4 Relevante F+E Ergebnisse Dritter Keine 5 Änderungen in der Zielsetzung Es wurden keine Änderungen in der Zielsetzung notwendig 6 Fortschreibung des Verwertungsplanes Der Verwertungsplan ist 9 Monate nach Beginn des Projektes in seiner ursprünglichen Formulierung gültig 7 Vorträge, Veröffentlichungen, Dokumente und Internetauftritte 7.1 Vorträge zum Projekt ModBen F. Schmidt, Sustainable energy management based on the European Energy Performance Building Directive (EPBD) 1 st EnERGo expert meeting Chicago, Januar 2006 F. Schmidt and R. Kopetzky, Sustainable energy management based on the European Energy Performance Building Directive (EPBD), EPIC 2006 AVIC Lyon Nov F. Schmidt and R. Kopetzky, Commissioning and energy management based on the Energy Performance Building Directive (EPBD), SSB 2006, Liege, Dez

13 F.Schmidt, Continuous commissioning on the base of intelligent metering technologies and consequences, ennovatis presentation at the 4th EnERGo Expert Meeting, Montreal, March 2007 R. Kopetzky, ennovatis energy management systems, 3 rd BuildingEQ expert meeting, Kornwestheim, Dezember 2007 Ute Jahn, Dan Hildebrandt, Roland Kopetzky, Frauke Schönfeld and Fritz Schmidt, Status of Test and Demo Buildings used by ennovatis for Linking EPDB and Continuous Commissioning, 3 rd BuildingEQ expert meeting, Kornwestheim, Dezember 2007 D. Hildebrand, R. Kopetzky, Energiebericht Großpösna , November 2007, Online Daten zum Demogebäude Großpösna, F. Schmidt, Meeting IEA ECBCS Annex 46, New York, Januar 2008 F. Schmidt, Building performance monitoring - theory, implementation and results from case studies, 4th Workshop Energy Efficient Technologies for Buildings New and Retrofits,New York, Januar 2008 Erja Reinikainen, Fritz Schmidt, IEA ANNEX 46, ENERGY ASSESSMENT PROTOCOL for nonindustrial buildings, to appear Dokumentationen im Umfeld von ModBen Siehe Zwischenbericht des Partners FhG-ISE EU-Projekt (IEE/SAVE): Building EQ 7.3 Internetauftritte Projektbeschreibung: Ennovatis homepage Online Daten: KENWO Online Server Homepage ModBen: Online Daten zum Demogebäude Großpösna (vorläufig) 1

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