Kompakt informieren
- Bei einer Mischluft-(Voll)Klima-Anlage lässt sich ein Behaglichkeitsfeld mit unterschiedlicher Nutzung der Behandlungsfunktionen erreichen.
- Sind die Kosten für die thermodynamische Luftbehandlung bekannt, können diese in die Regelung für eine kostenoptimierte Betriebsweise integriert werden. An Pilotanlagen wurde so eine Kostenersparnis von rund 10 % gegenüber konventionellen Regelstrategien nachgewiesen.
- Da keine größeren Eingriffe in die Anlagentechnik erforderlich sind, wird eine kurzfristige Amortisation erreicht.
Die Betreiber von Vollklimaanlagen mit Mischluftklappen-Energierückgewinnung und Siclimat-X-Gebäudeautomation können ihre Energiekosten durch das Einspielen einer neuen Software für Simatic-S7-Steuerungen ohne weitere Umbaumaßnahmen um rund 10 % senken. Diese Erfahrungen machten sowohl die Betriebsingenieure eines Süßwarenherstellers als auch die Gebäudetechniker der Siemens-Elektronikfertigung im Werk Karlsruhe Abb. 1. Das neue Regelungsverfahren „Variable Control Strategy“ (VCS) basiert auf den heute bei Mischluft-/Wärmerückgewinnungssystemen üblichen fünf Regelungsstrategien:
- Enthalpie
- absolute Feuchte
- Raumtemperatur
- minimale Außenluft und
- maximale Außenluft.
Der Unterschied zu konventionellen Regelungsverfahren, beispielsweise zur Temperaturregelung, besteht darin, dass im VCS-Regelbaustein die Entscheidung für ein bestimmtes Verfahren von den hinterlegten Kosten der jeweiligen Regelstrategie abhängig ist. Konkret wählt der neue VCS-Regler die jeweils kostengünstigste Strategie in Abhängigkeit der temperatur- und feuchtebedingten Lastveränderungen im Raum, der Wetterentwicklung sowie von unterschiedlichen tages- oder lastabhängigen Tarifen (Smart-Grid-Funktionen) für Wärme und Strom.
Wirtschaftlicher produzieren
Die kostenorientierten Regelungsstrategien wurden ursprünglich von einem Süßwarenhersteller in Zusammenarbeit mit Regelungsspezialisten von Siemens entwickelt. Ziel war, die für die Herstellung unterschiedlicher Süßwaren notwendigen variablen Raumluftkonditionen nach wirtschaftlich gewichteten Regelungsstrategien bei gleichbleibend hoher Regelgüte zu erreichen.
Bei der Programmierung der eingesetzten SPS-Automationsstation Simatic S7 AS300 zeigte es sich, dass der ausprogrammierte Funktionsbaustein mit VCS-Funktionalität vergleichsweise viel Speicherplatz benötigte. Deshalb wurde vom Simatic-Anwender ein speicherschonendes Re-Design durch Siemens gewünscht. Aus diesem Kontakt entwickelte sich eine intensive Zusammenarbeit, zumal die Simatic-/Siclimat-Spezialisten in Karlsruhe den hohen wirtschaftlichen Vorteil einer kostenoptimierten Regelstrategie im h,x-Diagramm schnell erkannten. Zugute kam dem Projekt, dass Siemens in der Elektronikfertigung für die Herstellung von Simatic-Bauelementen im Siemens-Industriepark Karlsruhe ähnlich aufgebaute Anlagen betreibt und damit optimale Voraussetzungen für eine Pilotanlage für den neuen Regelalgorithmus vorlagen. Dort sind die Vorgaben an das Raumklima aufgrund der Präzisionsanforderungen an die Fertigung vergleichsweise hoch, insbesondere in Bezug auf die Temperatur- und Feuchtekonstanz Abb. 2.
Kostenoptimierte VCS-Regelstrategie
Die Regelung von RLT-Anlagen mit den thermodynamischen Funktionen Heizen, Kühlen, Befeuchten und Entfeuchten (sogenannte Vollklimaanlagen) mit Mischluftklappe zur Energierückgewinnung kann im h,x-Diagramm auf unterschiedliche Weise erfolgen. Typisch für alle herkömmlichen Regelverfahren (nach Enthalpie, Feuchte oder Temperatur) ist die Tatsache, dass sie rein thermodynamisch arbeiten, das heißt, sie regeln den Zuluft-Sollwert unabhängig von einer Kostenbewertung des oder der Regelprozesse aus.
Das VCS-Prinzip basiert darauf, die nach Kostengesichtspunkten eher unkoordiniert ablaufenden Regelprozesse in folgende fünf Strategien Abb. 5 aufzuteilen:
1. Mischluft = maximale Außenluftmenge
2. Mischlufttemperatur = Zuluftsolltemperatur
3. Mischluftenthalpie = Zuluftsollenthalpie
4. Mischluftfeuchte = Zuluftsollfeuchte
5. Mischluft = minimale Außenluftmenge
Das VCS-Prinzip bewirkt, dass jede dieser fünf Strategien die thermodynamischen Funktionen der Luftbehandlungsaggregate eines RLT-Gerätes im h,x-Diagramm mehr oder weniger geradlinig über den jeweiligen Kostenvektor ansteuert. Neu ist, dass der Betreiber seine Kosten für Heizen, Kühlen, Befeuchten und Entfeuchten (inklusive der Nebenkosten wie Zählergebühren, Filterkosten, Frischwasser-/Abwasserkosten, Wartung nach VDI 6022, energetische Inspektion etc.) hinterlegt und damit eine kostenbezogene Vergleichsmöglichkeit für die unterschiedlichen Regelstrategien erhält. Gleichzeitig werden die Kosten der VCS-Regelstrategie aufsummiert und mit den Kosten der einzelnen Regelstrategien verglichen. Dabei wird auch dokumentiert, um wie viel niedriger die Energiekosten gegenüber einer konventionellen Regelstrategie sind.
Aus diesen fünf Strategien wählt der VCSRegelalgorithmus in Abhängigkeit der thermodynamischen Zustände der Ab- und Außenluft die Regelstrategie aus, mit der der Mischluftpunkt und – darauf basierend – die Soll-Raumkondition am kostenoptimalsten erreicht werden können. Je nach Tageszeit, Wetterveränderungen (Gewitter), innerer Last oder veränderten Sollwertvorgaben aus der Produktion kann sich die Strategie am Tag mehrmals ändern. Typische Vorgehensweisen bei der VCS-Strategie sind:
- Prüfen der Außenluftfeuchte, ob mit einem höheren Außenluftanteil die Zuluft entsprechend den Sollwert-Vorgaben be- oder entfeuchtet werden sollte (anstatt Befeuchten oder Kühlen)
- Prüfen und minimieren der Kosten bei Entfeuchtungsbedarf der Zuluft durch Einstellen auf minimale bzw. maximale Außenluft (je nach Feuchtegehalt)
- Prüfen, ob bei sehr kalter, trockener Außenluft der Außenluftanteil minimiert werden kann (unter Beachtung der Mindestaußenluftmenge von beispielsweise 10 %), um damit Feuchte aus der Abluft zurückzugewinnen. In diesem Fall besteht auch die Möglichkeit, die VCS-Regelstrategie mittels Luftqualitätsfühler zu übersteuern.
- Prüfen, mit welcher Luftmenge kostenoptimal konditioniert werden kann, zum Beispiel hohe Luftmenge mit geringer Spreizung oder niedrige Luftmenge mit hoher Spreizung.
Für die Regelungsspezialisten war es außerdem wichtig, dass die Sollwerte flexibel an die Anforderungen der Produktion angepasst werden können.
Kostenfunktionen für Luftaufbereitung
Die Kosten für die Soll-Energie der Zuluft setzen sich zusammen aus dem kostenneutralen Anteil der Energie der Mischluft (Energie der Abluft und Energie der Außenluft) und dem kostenbehafteten und damit variablen Anteil, der aus der Luftaufbereitung resultiert, also der Energiezufuhr für Heizen, Kühlen, Befeuchten und Entfeuchten. Dieses variable Kostenfeld ist in der Bedienoberfläche von Siclimat X separat ausgewiesen. Somit kann der Betreiber der Anlage seine jeweils aktuellen Kosten für die Luftaufbereitung hinterlegen. Auch besteht die Option, zeit- und lastvariable Tarife (Smart-Grid-Funktionen), in die Kostenhinterlegung mit einzubeziehen. Dadurch ergeben sich in Zukunft erweiterte Optionen zur Kosteneinsparung ohne zusätzliche Investitionen. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Regelstrategien primärenergetisch zu gewichten, zu bilanzieren sowie zu optimieren und so den CO2-Fußabdruck der RLT-Anlage zu dokumentieren. Darüber hinaus lassen sich durch die detaillierte Kostenbetrachtung mögliche Defekte an den Anlagen frühzeitig erkennen.
Ähnlich wie bei einer konventionellen RLT-Regelung gilt auch für die VCS-Lösung: Je größer das Behaglichkeitsfeld definiert ist, desto höher ist das Einsparpotenzial bei der Luftaufbereitung. Da jeder Strategiewechsel des VCS-Reglers mit Einschwingverlusten behaftet ist, wird innerhalb des vorgegebenen Sollwertfelds die zuletzt gewählte Regelstrategie so lange beibehalten, bis der Sollwert außerhalb des Felds liegt. Sind das Temperatur-/Feuchtetoleranzfeld eng begrenzt, zum Beispiel um Fertigungsprozesse zu unterstützen oder abzusichern, und der Außenluftanteil gering, so lohnen sich kurzzeitige kostenorientierte Strategiewechsel am ehesten. Als Karenzzeit werden etwa 15 min empfohlen, da sonst die Kosten für das Einschwingen des Regelkreises womöglich höher sind als die Kostenvorteile der neuen Regelstrategie.
Eine besondere Bedeutung bei der kostenorientierten Regelungsstrategie kommt drehzahlregelbaren Zu- und Abluftventilatoren zu. Dadurch kann ein großer Teil der für den Lufttransport benötigten Energie eingespart werden. Derzeit ist diese Funktion in der Karlsruher Pilotanlage noch nicht umgesetzt.
Die VCS-Regelstrategie ist so angelegt, dass der Sollwert in jedem Fall erreicht wird, gegebenenfalls auch unter Umgehung der Kostenoptimierungsstrategie. Regelgüte und die Einhaltung des Toleranzfeldes haben immer erste Priorität. Dies ist im Produktionsumfeld sehr wichtig, da sonst die Qualität ganzer Produktchargen gefährdet wäre.
Fazit
Die kostenoptimierte Regelstrategie VCS ist eine sehr wirtschaftliche Lösung, um bei bestehenden und neuen RLT-Anlagen mit Mischluftklappen-Energierückgewinnung ohne Umbaumaßnahmen rund 10 % an Betriebskosten einzusparen. Voraussetzung ist das Gebäudeautomationssystem Siclimat X in Verbindung mit einer Simatic-S7-Steuerung, die per Servicepack mit dem VCS-Modul aufgerüstet werden kann. Die kostenorientierten Regelstrategien eröffnen gleichzeitig auch eine CO2-optimierte Betriebsweise sowie die Einbindung von Smart-Grid-Funktionen zur Nutzung zeit- und lastvariabler Energieangebote. Die VCS-Regelstrategie eignet sich sowohl für Anlagen mit großem Behaglichkeitsfeld als auch für Prozess-Klimaanlagen mit sehr engen Toleranzgrenzen für Raumtemperatur und Raumfeuchte. In den meisten Fällen liegt die Amortisationszeit für die Aufrüstung bei unter zwei Jahren. •
Mehr Infos zum Thema im TGAdossier Gebäudeautomation: Webcode 740
VCS-Nachrüstung
Wenig Aufwand, hohe Rendite
Raumlufttechnische Anlagen mit Klappenverbundsystem (Mischluftklappe) kommen heute vorwiegend in der Prozessklimatisierung zum Einsatz, die hohe Volumenströme bei geringem Außenluftanteil zulassen, zum Beispiel in der Lebensmittelbranche und in elektronischen Fertigungen. Außerdem gibt es zahlreiche Bestandsanlagen mit Mischluftregelung, beispielsweise in Flughäfen, Veranstaltungshallen oder Museen. Insbesondere für Anlagen mit großer Nennluftleistung lohnt sich die Nachrüstung mit einer VCS-Lösung Abb. 3. Der bauliche Aufwand ist unerheblich, die Energieeinsparung von rund 10 % sehr hoch und die Amortisation der Investition sehr kurz. Voraussetzung für die einfache Nachrüstung der VCS-Lösung ist ein Siclimat-XGebäudeautomationssystem (ab Version V 4.0) in Verbindung mit einer Simatic-S7-SPS; Simatic S5 wird nicht unterstützt, kann aber durch eine Konverterlösung einfach nach S7 migriert werden Abb. 4.
Zur Erfassung der notwendigen Messwerte für die fünf Regelstrategien ist gegebenenfalls die Nachrüstung von Kombifühlern für Temperatur und Feuchte erforderlich. Für die Erfassung der thermodynamischen Messwerte der Mischluft wird ein Durchschnittsfühler empfohlen, um einen Messwert von hoher Qualität bereitstellen zu können. Fehlmessungen von Luftzuständen führen – wie bei der konventionellen Regelstrategie – auch bei der VCS-Lösung zu fehlerhaften Regelungsstrategien. Für die Umsetzung der VCSRegelungsstrategie sind in der Außenluft, der Mischluft und der Abluft der RLT-Anlage Kombifühler erforderlich. Die VCS-Regelungsstrategie greift in die Luftaufbereitungsstufen Vor- und Nacherhitzer, Kühler sowie Dampfbefeuchter / Wäscher ein. Für die Umsetzung der VCS-Strategie müssen aber nicht zwingend alle Luftaufbereitungsstufen vorhanden sein. Die Software kann durch einfaches Parametrieren an die örtlichen Gegebenheiten angepasst werden. Optional besteht die Möglichkeit, stetig geregelte Ventilatoren (EC-Motoren oder Frequenzumformer) in die Regelstrategie zu integrieren.
Für die Implementierung vor Ort müssen rund fünf Manntage kalkuliert werden. Darin sind drei Tage Optimierungsphase (VCSInbetriebnahme, Mischgerade abfahren, Regelungsparameter abgleichen) enthalten. Bei der Pilotanlage in der Elektronikfertigung Karlsruhe (Nennluftleistung der RLT-Anlage 60000 m3/h) liegt das errechnete Einsparpotenzial bei rund 10 %. Unter Berücksichtigung der üblichen Kosten kann für diese Nachrüstung mit einer Amortisationszeit von etwa zwei Jahren gerechnet werden.
Michael Hohmann
Siemens AG, Industry Automation Division, Karlsruhe, https://new.siemens.com/global/en/products/automation.html
Dieter Schauer Siemens AG, Building Technologies Division, Stuttgart, https://new.siemens.com/global/en/products/buildings.html
Werner Ziel Siemens AG, Building Technologies Division, Karlsruhe, https://new.siemens.com/global/en/products/buildings.html
