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ModBen – Modellgestützte Betriebsführung von Gebäuden

ModBen - Modellbasierte Betriebsanalyse von Gebäuden.

ModBen ermöglicht die Erkennung von Fehlern im Betrieb von Gebäuden. Auf Basis der in einem kontinuierlichen Monitoring erhobenen Messwerte werden so genannte Ausreißer mit regelbasierten Systeme automatisch erkannt.

© Fraunhofer ISE

Projektsteckbrief

Offizieller ProjekttitelModellbasierte Methoden für die Fehlererkennung und Optimierung im Gebäudebetrieb
SoftwaretypF&E-Tool
Laufzeit10/2006 bis 12/2010
KürzelModBen
Download-Adresse

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme

NutzungskonditionenAuf Anfrage
Schwerpunkte

Projektbeschreibung

Viele Gebäude werden gut und energieeffizient geplant. Nach ihrer Inbetriebnahme jedoch werden sie oft nicht optimal betrieben. So ist ihr Energieverbrauch unnötig hoch, er liegt bis zu 30% über den eigentlich realistischen Planungswerten. Dies gilt insbesondere für den Nichtwohnungsbau. Hier können die Energiekosten mit einfachen Maßnahmen um bis zu 30% reduziert werden, zumeist ohne weitere Investitionen.

Beim Betrieb von Gebäuden wird nämlich auf eine kontinuierliche Überwachung zumeist verzichtet. Vorrangig geht es darum, die grundsätzliche Funktion der technischen Anlagen sicherzustellen, also beispielsweise, dass die Heizung oder die Kühlung funktioniert. So kann ein energieeffizienter Betrieb nicht zuverlässig erreicht werden. Selbst bei Neubauten wird ein energieoptimierter Betrieb mit der Inbetriebnahme oftmals nicht erreicht. Denn viele gebäudetechnische Anlagen arbeiten mangels sorgfältiger Einregulierung und Wartung weitab ihres energetisch-ökonomischen Optimums. Dem Betreiber der Anlagen fehlen oft die Ressourcen und das notwendige technische Know-How, um eine Verbesserung zu erreichen.

Für die Identifikation der Einsparpotenziale und zur Erreichung eines dauerhaft energieeffizienten Gebäudebetriebs sind neue Ansätze im Bereich des Energiemanagements notwendig, die auf kontinuierliche und weitgehend automatisierte Methoden zur Fehlerdiagnose und Optimierung setzen. Entsprechende Verfahren sind im Bereich technisch oder wirtschaftlich kritischer Prozesse üblich, so beispielsweise in der Luftfahrt oder der chemischen Industrie. Im realen Gebäudebetrieb spielen sie bislang praktisch keine Rolle.

Im Forschungsprojekt ModBen wurden jetzt Verfahren und Werkzeuge entwickelt, um die Energieeinsparpotenziale im laufenden Betrieb von Gebäuden möglichst einfach und kostengünstig zu ermitteln. Ausgangspunkt des Projekts war die Selektion eines möglichst kleinen Sets von Daten, die für die Optimierung sinnvoll und notwendig sind. Auf Grundlage dieses Datensatzes wurden dann Methoden und Werkzeuge für eine einfache und weitgehend automatisierte Fehlerdiagnose und die zeitnahe Optimierung entwickelt und erprobt. Einige der Methoden und Werkzeuge wurden bereits während der Projektlaufzeit von den Industriepartnern in Ihre Produkte und Dienstleistungen integriert. Andere wiederum sind eher als Konzept oder Prototyp zu werten und müssen weiter entwickelt werden. Die in ModBen zugrunde gelegte Systematik bezieht sich auf die DIN V 18599, auf welcher auch die Energieeinsparverordnung und die Gebäudeenergieausweise basieren.

Aktueller Status

Das Konzept von ModBen verfolgt eine „kontinuierliche funktionale Qualitätskontrolle“, ein Konzept, das sich an das aus den USA bekannte „ongoing commissioning“ anlehnt. Es unterscheidet sich von einem Energie-Audit darin, dass neben einer initialen auch eine kontinuierliche Betriebsüberwachung erfolgt. Im Vergleich zum gewöhnlichen Energiemanagement werden neben den Energieverbrauchsdaten weitere Betriebsgrößen wie Temperaturen oder Statusmeldungen erfasst. ModBen verfolgt dabei einen 4-stufigen Ansatz:

  1. Benchmarking: Eine Grobanalyse der Energieverbräuche ist Basis für das weitere Vorgehen und ermöglicht die Erstellung eines Energieverbrauchsausweises.
  2. Monitoringsystem: Nach Definition des benötigten Datensets wird das Monitoringsystem zur laufenden Gebäudüberwachung implementiert und die detaillierten Untersuchungen können beginnen.
  3. Betriebsanalyse und -optimierung: Fehlererkennung auf Basis der Messwerte im kontinuierlichen Monitoring. Hierbei wird eine möglichst automatisierte Fehlerdetektion auf Basis regelbasierter Systeme eingesetzt sowie ergänzend Verfahren der manuellen Fehlererkennung mit spezieller Datenvisualisierung. Auch die Optimierung des Gebäudebetriebs erfolgt modellbasiert.
  4. Betriebsüberwachung: Im Weiteren erfolgt eine kontinuierliche Betriebsüberwachung mit zumeist automatisierten Verfahren.

ModBen wurde in verschiedenen Gebäuden bereits eingesetzt und erfolgreich erprobt. Dabei wurden Energieeinspareffekte von bis zu 30 Prozent erzielt. Weil die Investitionen in das kontinuierliche Monitoring relativ gering sind, amortisiert sich der Aufwand – nach einfacher statischer Berechnung – in 0,5 bis 3 Jahren.
Die erkannten typischen Fehler waren beispielsweise zu lange Betriebszeiten der Heizungsanlage ohne Absenkung, schlecht abgestimmte Betriebszeiten verschiedener Komponenten wie Ventilatoren, Heizregister-Umwälzpumpen, falsch definierte Heiz- oder Kühlkurven, ein fehlender hydraulischer Abgleich, zu hohe Volumenströme, zu geringe Temperaturspreizung der Heiz- oder Kühlkreise, unpassend dimensionierte Wärme- oder Kälteerzeuger, fehlerhaft implementierte Messtechnik und vieles mehr.

Projektpartner

An der Entwicklung von ModBen beteiligen sich folgende Projektpartner: Als wissenschaftlicher Partner das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg, die Firma ennovatis in Großpösna als Anbieter von Energiemanagement-Lösungen sowie die Firma HSG Zander, ein Anbieter von Facility Management Dienstleistungen.

Weitere Perspektiven

Im Rahmen von ModBen wurden am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme die Grundlagen für das Daten- und Analysetool "datastorage" entwickelt. Damit wurde eine modulare, wissenschaftliche Entwicklungsumgebung geschaffen, die auch in anderen Forschungsprojekten und Instituten genutzt und weiterentwickelt wird. Im Rahmen des EU-Projektes "BuildingEQ, intelligize your energy management" wurde "datastorage" ebenfalls genutzt, hier kann auch eine Version heruntergeladen werden.

Black-Box-Modelle haben sich im Verlauf des Projekts ModBen als praxistaugliche Lösung erwiesen zur Erkennung von ungewöhnlichen Betriebszuständen. Es erscheint jedoch vorteilhaft, sich dabei auf typische und gewöhnlich vorkommende Subsysteme zu konzentrieren, beispielsweise Heizkreise oder RLT-Anlagen. Damit soll die Komplexität dieser Fehlererkennungs- und Optimierungsmethoden beschränkt werden, um den kontinuierlichen Einsatz in Gebäuden zu ermöglichen. Mit dem EnBop-Projekt ModQS, "Qualitätssicherung des energetischen Gebäudebetriebs – Modellbasierte Einregulierung von haustechnischen Systemen" wird dieser Ansatz weiter verfolgt.

Anwendungsreifes Produkt

Einige Ansätze im Bereich der Datenvisualisierung und -aufbereitung wurden vom Industriepartner ennovatis GmbH bereits während der Projektlaufzeit in seine kommerziell erhältlichen Produkte und Dienstleistungen integriert. Die Ausreißererkennung mit Black-Box-Modellen wurde so weit entwickelt, dass sie in Prototypen der ennovatis-Software integriert werden konnte.

Publikation

Fachartikel "ModBen - Modellbasierte Betriebsanalyse von Gebäuden"
(7 Seiten, 390 kB, Statusseminar 2009)