Entwicklung eines Konzeptes zur Regelung von raumlufttechnischen Anlagen auf der Basis von Methoden der dynamischen Systeme

Wir werden in dieser Arbeit einen Weg zu einem Paradigmenwechsel in der Gebäudeautomation aufzeigen. Raumlufttechnische (RLT-)Anlagen nehmen eine zunehmend bedeutsame Rolle in der Klimatisierung von Gebäuden und deren Energieverbrauch ein. Klassische Ansätze in der Gebäudeautomation verwenden PID-Regler um einen stabilen, behaglichen und energieeffizienten Betrieb von RLT-Anlagen zu gewährleisten. Bei der Verwendung eines PID-Reglers wird eine Störung erst dann kompensiert, wenn sie bereits eine messbare Änderung z.B. der Raumtemperatur verursacht hat. Der Zeitpunkt vom Auftreten der Störung bis zur Feststellung ihres Einflusses auf das Raumklima ist entscheidend für die Geschwindigkeit, mit der die Regelung die Störung ausgleichen kann. Je langsamer die Detektion erfolgt, desto größer ist die Auswirkung der Störung und entsprechend z.B. Kosten oder Unbehaglichkeit bei Überhitzung des Raumes. Wir werden zeigen, dass es möglich ist, die Intensität einer auf thermischen Quellen basierenden Störung zu detektieren, ohne ihre Auswirkung auf das Raumklima abwarten zu müssen. Es wird dabei ein Indikator verwendet, welcher die Intensität der Wärmequellen abschätzt, basierend auf einer Auswertung eines hochfrequenten Signalanteils einer Temperatur- bzw. Luftgeschwindigkeitsmessung. Um diesen Indikator und das notwendige Grundlagenverständnis zu erlangen, untersuchen wir die relevanten Eigenschaften der thermischen Konvektion, wie sie unter behaglichen Bedingungen in der Raumklimatisierung auftreten können, anhand des Beispiels der Rayleigh-Bénard-Konvektion (RBK). Dabei wird eine rechteckige Geometrie in 2D bei Temperaturdifferenzen, die näherungsweise der Wärmeabgabe von Personen in Innenräumen nachempfunden sind, von unten beheizt und von oben gekühlt. Damit soll geprüft werden, ob in dem dabei entstehenden Strömungsfeld Strukturen erkennbar sind, anhand derer die Intensität der die Konvektion antreibenden Wärmequellen abgeschätzt werden kann. Die Konvektion unter den betrachteten Parametern zeigt ein deterministisch chaotisches Verhalten. Um die Eigenschaften dieses Verhaltens prototypisch und isoliert von sonstigen störenden oder zu spezifischen Einflüssen betrachten zu können, verwenden wir das Lorenz-Modell. Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt dabei in der Verwendung verschiedener Ansätze aus dem Bereich der Zeitreihenanalyse und Statistik, um zu prüfen, welche Methode valide und numerisch kostengünstig für die Bildung des Indikators genutzt werden kann. Die Verwendung der Stichprobenstandardabweichung wird sich dabei als wichtiger erster Baustein herausstellen. Um die Auswirkungen der Geometrie, Messgröße sowie Auswertungsdauer bei der Bildung des Indikators besser beurteilen zu können, wird die RBK mit einer direkten numerischen Simulation (DNS) eingehend untersucht. Dabei wird sich zeigen, dass die Verwendung der Stichprobenstandardabweichung es ermöglicht, die Intensität der Konvektion mit einem linearen Ansatz und einer hohen statistischen Sicherheit abzuschätzen. Die theoretischen Erkenntnisse aus dem Lorenz-Modell und der DNS werden durch Messungen unter Laborbedingungen ergänzt. Dabei zeigt sich, dass eine Übertragung der Auswerteverfahren auf eine dreidimensionale Raumgeometrie unter Verwendung einer geeigneten Messtechnik möglich ist. Qualitative Übereinstimmungen zu den spezifischen Eigenschaften insbesondere im Unterschied zwischen einer Luftgeschwindigkeits- und einer Temperaturmessung zu den simulierten Daten unterstreichen die Güte dieser in der Breite durchgeführten Analyse. Abschließend werden wir zeigen, dass auch Personen als reale Wärmequellen mit dem Indikator detektiert werden können und es unter dieser Voraussetzung möglich ist, die Auswirkungen auf die Betriebssicherheit sowie die mögliche Kostenersparnis an einem Modell aufzeigen. In dem Modell wird der Indikator als Basis für eine neues Modellprädiktives (MP) Regelungskonzept angewendet. Dabei zeigt sich, dass sowohl eine Verbesserung der Regelgüte als auch eine Reduktion der Betriebsführungskosten realisiert werden kann. Die wesentliche Neuerung des Konzeptes besteht in der Reduktion des Schwierigkeitsgrades der Regelstrecke im Störfall. Dieser Ansatz bietet ein breites Anwendungsspektrum, dessen volles Potential es noch weiter zu erschließen gilt