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Energietechnik
(2004)
Dieses Lehrbuch vermittelt dem Leser anschaulich ein solides, grundlegendes Verständnis für die Zusammenhänge der Energieumwandlungsprozesse. Es umfasst die gesamte Palette der Energietechnik, angefangen bei den Grundlagen der Energie-Verfahrenstechnik über die Beschreibung ausgeführter aktuellster Anlagen (alle Kraftwerkstypen) bis zur Energieverteilung und -speicherung. Schwerpunkte sind regenerative/nachhaltige Energietechniken, Kombianlagen (z.B. Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke) und Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung (z.B. BHKW).
Die aktuelle Fassung der Normen wird berücksichtigt und ein Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen wurde mitaufgenommen. Zahlreiche Verbesserungen an Texten und Bildern wurden eingearbeitet.
Energietechnik
(2007)
Dieses Lehrbuch vermittelt dem Leser anschaulich ein solides, grundlegendes Verständnis für die Zusammenhänge der Energieumwandlungsprozesse. Es umfasst die gesamte Bandbreite der Energietechnik, angefangen bei den Grundlagen der Energie-Verfahrenstechnik über die Beschreibung ausgeführter aktuellster Anlagen (aller Kraftwerkstypen) bis zur Energieverteilung und -speicherung. Schwerpunkte sind regenerative/nachhaltige Energietechniken, Kombianlagen (z. B. Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke) und Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung (z. B. BHKW).
Neu aufgenommen wurden das Kapitel Kyoto-Protokoll sowie Konzepte zu emissionsfreien Kohlekraftwerken. Das Kapitel zur Liberalisierung der Energiemärkte erfuhr eine neue Fassung. Zahlreiche Verbesserungen an Texten und Bildern wurden eingearbeitet.
Auf Grund des didaktischen Konzepts ist dieses Buch nicht nur Studierenden zu empfehlen, sondern auch jedem, der an aktuellen Fragestellungen zur Energietechnik interessiert ist.
Energietechnik
(2009)
Dieses Lehrbuch vermittelt dem Leser ein grundlegendes Verständnis für die Zusammenhänge der Energieumwandlungsprozesse. Es umfasst die gesamte Bandbreite der Energietechnik. Die Schwerpunkte reichen von nachhaltigen, erneuerbaren Energietechniken, Kombianlagen (z. B. Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke) über Anlagen mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung bis hin zum Kyoto-Protokoll. Die 4. Auflage beinhaltet erstmals Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen zu den einzelnen Kapiteln. Mehrere Kapitel sind aktualisiert. Das Kapitel 18 „Liberalisierung der Energiemärkte“ ist neu gefasst.
Energietechnik
(2019)
Kurz und prägant werden die Energieumwandlungsprozesse dargestellt. Die Schwerpunkte reichen von der kompletten Beschreibung der nachhaltigen, erneuerbaren Energietechniken, über Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke sowie Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen bis hin zur Energieverteilung und zum Kyoto-Protokoll. Zu allen Kapiteln gibt es Aufgaben mit vollständigen Lösungen im Anhang. In der aktuellen Auflage sind die Grundlagen der Energiewandlung deutlich um verfügbare Energiequellen, Energieträger und den globalen Energiebedarf erweitert. Das Kapitel 19 wurde von seinem neuen Autor grundlegend neu gefasst und heißt nun „Marktliberalisierung und Energiewende“. Alle Kapitel wurden aktualisiert und die Inhalte didaktisch noch verständlicher dargestellt.
Energietechnik
(2015)
Kurz und prägant werden die Energieumwandlungsprozesse dargestellt. Die Schwerpunkte reichen von der kompletten Beschreibung der nachhaltigen, erneuerbaren Energietechniken, über Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke sowie Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen bis hin zur Energieverteilung und zum Kyoto-Protokoll. Zu allen Kapiteln gibt es Aufgaben mit vollständigen Lösungen im Anhang. In der aktuellen Auflage wurden in den Kapiteln 3 und 15 die Zahlenwerte aktualisiert. Kapitel 9 wurde entsprechend der neuen Anbieterstruktur überarbeitet und Kapitel 10 um die Adsorptionstechniken ergänzt. Die Kapitel 17-20 wurden vollständig überarbeitet und stellen den aktuellen Stand der globalen politischen Aspekte dar.
Energietechnik
(2013)
Dieses Lehrbuch vermittelt dem Leser ein grundlegendes, dennoch kurz gefasstes Verständnis für die Zusammenhänge der Energieumwandlungsprozesse. Es umfasst die gesamte Bandbreite der Energietechnik. Die Schwerpunkte reichen von der kompletten Beschreibung der nachhaltigen, erneuerbaren Energietechniken, über Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke sowie Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen bis hin zur Energieverteilung und zum Kyoto-Protokoll. In der vorliegenden sechsten Auflage wurden im Kapitel Kerntechnik die Erfahrungen aus dem Fukushima-Unglück dokumentiert und die Kapitel Energieverteilung und Energiespeicherung neu gefasst, um den Tendenzen der politisch festgelegten deutschen Energiewende Rechnung zu tragen.
Energietechnik
(2010)
Dieses Lehrbuch vermittelt dem Leser ein grundlegendes Verständnis für die Zusammenhänge der Energieumwandlungsprozesse. Es umfasst die gesamte Bandbreite der Energietechnik. Die Schwerpunkte reichen von nachhaltigen, erneuerbaren Energietechniken, Kombianlagen (z. B. Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke) über Anlagen mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung bis hin zum Kyoto-Protokoll.
In der fünften Auflage wurden neue Trends in der Energietechnik eingearbeitet. Das Kapitel Windkraftanlagen wurde um Off-Shore-Anlagen ergänzt, das Kapitel Kernenergie wurde überarbeitet und erhielt den neuen Schwerpunkt Reaktorsicherheit.
The significant market growth of stationary electrical energy storage systems both for private and commercial applications has raised the question of battery lifetime under practical operation conditions. Here, we present a study of two 8 kWh lithium-ion battery (LIB) systems, each equipped with 14 lithium iron phosphate/graphite (LFP) single cells in different cell configurations. One system was based on a standard configuration with cells connected in series, including a cell-balancing system and a 48 V inverter. The other system featured a novel configuration of two stacks with a parallel connection of seven cells each, no cell-balancing system, and a 4 V inverter. The two systems were operated as part of a microgrid both in continuous cycling mode between 30% and 100% state of charge, and in solar-storage mode with day–night cycling. The aging characteristics in terms of capacity loss and internal resistance change in the cells were determined by disassembling the systems for regular checkups and characterizing the individual cells under well-defined laboratory conditions. As a main result, the two systems showed cell-averaged capacity losses of 18.6% and 21.4% for the serial and parallel configurations, respectively, after 2.5 years of operation with 810 (serial operation) and 881 (parallel operation) cumulated equivalent full cycles. This is significantly higher than the aging of a reference single cell cycled under laboratory conditions at 20 °C, which showed a capacity loss of only 10% after 1000 continuous full cycles.
Cell lifetime diagnostics and system be-havior of stationary LFP/graphite lithium-ion batteries
(2018)
In vielen Schulgebäuden der Region südlicher Oberrhein zeigte sich seit Beginn dieses Jahrhunderts eine verstärkte Überhitzungstendenz. Besonders bei energetisch sanierten Schulen und durch die Umstellung des Schulbetriebs auf den Ganztagsunterricht zeigt sich eine stärkere Wärmebelastung durch die sommerlichen Temperaturen. Die Stadt Offenburg sah hier einen wichtigen Handlungsbedarf, um Klassenräume ohne den Einsatz energieintensiver Kältemaschinen thermisch zu entlasten. Durch einen deutlichen Anstieg beim Energieeinsatz für Kühlmaßnahmen würden die starken Einspareffekte bei den Heizkosten im Sommer neutralisiert. Interessant waren deshalb nachhaltige Lösungen die bei niedrigem Primärenergieeinsatz ein hohes Reduktionspotenzial bei der Kühllast bewirken. Verfahren der natürlichen Gebäudeklimatisierung führten in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe nachhaltige Energietechnik der Hochschule Offenburg zu unterschiedlichen Nachtlüftungsstrategien zusammen mit ergänzenden Wärmeschutzmaßnahmen.
Demand Side Management for Thermally Activated Building Systems based on Multiple Linear Regression
(2015)
There is a growing trend for the use of thermo-active building systems (TABS) for the heating and cooling of buildings, because these systems are known to be very economical and efficient. However, their control is complicated due to the large thermal inertia, and their parameterization is time-consuming. With conventional TABS-control strategies, the required thermal comfort in buildings can often not be maintained, particularly if the internal heat sources are suddenly changed. This paper shows measurement results and evaluations of the operation of a novel adaptive and predictive calculation method, based on a multiple linear regression (AMLR) for the control of TABS. The measurement results are compared with the standard TABS strategy. The results show that the electrical pump energy could be reduced by more than 86%. Including the weather adjustment, it could be demonstrated that thermal energy savings of over 41% could be reached. In addition, the thermal comfort could be improved due to the possibility to specify mean room set-point temperatures. With the AMLR, comfort category I of the comfort norms ISO 7730 and DIN EN 15251 are observed in about 95% of occasions. With the standard TABS strategy, only about 24% are within category I.
Adaptive predictive control of thermo-active building systems (TABS) based on a multiple regression algorithm: First practical test. Available from: https://www.researchgate.net/publication/305903009_Adaptive_predictive_control_of_thermo-active_building_systems_TABS_based_on_a_multiple_regression_algorithm_First_practical_test [accessed Jul 7, 2017].
Photovoltaics Energy Prediction Under Complex Conditions for a Predictive Energy Management System
(2015)
The building sector is one of the main consumers of energy. Therefore, heating and cooling concepts for renewable energy sources become increasingly important. For this purpose, low-temperature systems such as thermo-active building systems (TABS) are particularly suitable. This paper presents results of the use of a novel adaptive and predictive computation method, based on multiple linear regression (AMLR) for the control of TABS in a passive seminar building. Detailed comparisons are shown between the standard TABS and AMLR strategies over a period of nine months each. In addition to the reduction of thermal energy use by approx. 26% and a significant reduction of the TABS pump operation time, this paper focuses on investment savings in a passive seminar building through the use of the AMLR strategy. This includes the reduction of peak power of the chilled beams (auxiliary system) as well as a simplification of the TABS hydronic circuit and the saving of an external temperature sensor. The AMLR proves its practicality by learning from the historical building operation, by dealing with forecasting errors and it is easy to integrate into a building automation system.
Für die solarunterstützte CO2-neutrale Nahwärmeversorgung des Neubaugebiets Hülben in Holzgerlingen wurden Holzpelletskessel mit einer 249m²-großen Solaranlage kombiniert. Im ersten Intensivmessjahr vom 01.03.2007 bis 29.02.2008 wurde eine Gesamt-Wärmeabgabe ins Nahwärmenetz von 920.606 kWh gemessen, wobei der solare Anteil bei 84.033 kWh lag. Es wurden ein Systemnutzungsgrad von 23,8 % und ein solarer Deckungsanteil von 9,5% gemessen. Die vom Lieferanten abgegebene Energiegarantie wurde in der ersten Intensivmessphase nicht erreicht.
In this study, a high-performance controller is proposed for single-phase grid-tied energy storage systems (ESSs). To control power factor and current harmonics and manage time-shifting of energy, the ESS is required to have low steady-state error and fast transient response. It is well known that fast controllers often lack the required steady-state accuracy and trade-off is inevitable. A hybrid control system is therefore presented that combines a simple yet fast proportional derivative controller with a repetitive controller which is a type of learning controller with small steady-state error, suitable for applications with periodic grid current harmonic waveforms. This results in an improved system with distortion-free, high power factor grid current. The proposed controller model is developed and design parameters are presented. The stability analysis for the proposed system is provided and the theoretical analysis is verified through stability, transient and steady-state simulations.
The uncertain and time-variant nature of renewable energy results in the need to deal with peaks in the production of energy. One approach is to achieve a load shift and thereby help balancing the grid by using thermally Activated Building Systems (TABS). Control systems currently in place do not exploit the full potential of TABS. This paper reviews how Model Predictive Control can possibly reduce the fluctuations of the demand and supply of (renewable) energy as it enables the TABS to react to the dynamics of weather and its impact on the grid at any time.
Die Hochschule Offenburg begleitet seit Juli 2006 in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE in Freiburg und der HfT Stuttgart die solar unterstützte Klimatisierung der Festo AG & Co. KG in Esslingen. Die Anlage wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens „Solarthermie2000plus“ vom Bundesumweltministerium gefördert. Dabei wurde die bereits bestehende Adsorptionskälteanlage, die bisher mit Kompressorabwärme und Gaskesseln betrieben wurde, durch eine Solaranlage als drittem Wärmelieferanten ergänzt.
Kühlen im großen Stil
(2010)
Große Solaranlagen
(2008)
Während solare Kleinanlagen (bis 30m² Kollektorfläche) zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung weitgehend standardisiert und weit verbreitet sind, besteht bei Großanlagen, speziell bei den nicht ausschließlich zur Trinkwassererwärmung genutzten Anlagen, noch Entwicklungsbedarf. Eine Standardisierung der Anlagen ist in diesem Bereich auch nur bedingt möglich, da die Voraussetzungen für die Einbindung solcher Anlagen, insbesondere in bestehende Heizungsanlagen, sehr unterschiedlich und dementsprechend individuelle Anpassungen notwendig sind.
Trotzdem finden solare Großanlagen in vielen Fällen Anwendung. Neben der bereits erwähnten Nutzung zur Warmwasserbereitung werden sie heute auch als Kombianlagen zur zusätzlichen Heizungsunterstüzung, in Wärmenetzen, zur Kälteerzeugung mittels thermischer Kältemaschinen und zur Bereitstellung von Prozesswärme eingesetzt.
Die Anlagentypen unterscheiden sich zum einen in der hydraulischen Verschaltung und in den Bedingungen, unter denen die Solaranlage betrieben wird. Bei Trinkwasseranlagen sind zudem hygienische Vorkehrungen zu treffen, um ein Legionellenwachstum zu vermeiden. Ein bedeutender Unterschied ist außerdem das Temperaturniveau, bei dem die Solaranlagen betrieben werden müssen. Bei allen Anlagentypen sind zum Ausgleich des zeitlichen Versatzes von Solarertrag und Wärmeverbrauch Solarspeicher notwendig. Diese können bei Anlagen zur solaren Raumklimatisierung (Kühlung) kleiner ausfallen, da der größte Leistungsbedarf zeitlich nahezu mit der größten solaren Leistung zusammenfällt.
Die Hochschule Offenburg begleitet in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE in Freiburg die solar unterstützte Klimatisierung der Deutschen Telekom in Rottweil. Die Anlage wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens „Solarthermie2000plus“ vom Bundesumweltministerium gefördert. Inzwischen liegen erste Ergebnisse aus einem Langzeitmonitoring vor.
Große Solaranlagen
(2011)
Ziel des Pilotprojektes EnMa-HAW ist die Erarbeitung und Erprobung technisch und organisatorisch übertragbarer Konzepte für ein automationsgestütztes Energiemanagement an allen Hochschulen für angewandte Wissenschaften im Land Baden-Württemberg. Das Energiemanagement wird technisch mittels Messtechnik, Datenerfassung, Datenspeicherung und Visualisierung umgesetzt und organisatorisch mit einem Energiezirkel in den Hochschulen verankert.
Recently, photovoltaic (PV) with energy storage systems (ESS) have been widely adopted in buildings to overcome growing power demands and earn financial benefits. The overall energy cost can be optimized by combining a well-sized hybrid PV/ESS system with an efficient energy management system (EMS). Generally, EMS is implemented within the overall functions of the Building Automation System (BAS). However, due to its limited computing resources, BAS cannot handle complex algorithms that aim to optimize energy use in real-time under different operating conditions. Furthermore, islanding the building's local network to maximize the PV energy share represents a challenging task due to the potential technical risks. In this context, this article addresses an improved approach based on upgrading the BAS data analytics capability by means of an edge computing technology. The edge communicates with the BAS low-level controller using a serial communication protocol. Taking advantage of the high computing ability of the edge device, an optimization-based EMS of the PV/ESS hybrid system is implemented. Different testing scenarios have been carried out on a real prototype with different weather conditions, and the results show the implementation feasibility and technical performance of such advanced EMS for the management of building energy resources. It has also been proven to be feasible and advantageous to operate the local energy network in island mode while ensuring system safety. Additionally, an estimated energy saving improvement of 6.23 % has been achieved using optimization-based EMS compared to the classical rule-based EMS, with better ESS constraints fulfillment.
Building energy management systems (BEMSs), dedicated to sustainable buildings, may have additional duties, such as hosting efficient energy management systems (EMSs) algorithms. This duty can become crucial when operating renewable energy sources (RES) and eventual electric energy storage systems (ESSs). Sophisticated EMS approaches that aim to manage RES and ESSs in real time may need high computing capabilities that BEMSs typically cannot provide. This article addresses and validates a fuzzy logic-based EMS for the optimal management of photovoltaic (PV) systems with lead-acid ESSs using an edge computing technology. The proposed method is tested on a real smart grid prototype in comparison with a classical rule-based EMS for different weather conditions. The goal is to investigate the efficacy of islanding the building local network as a control command, along with ESS power control. The results show the implementation feasibility and performance of the fuzzy algorithm in the optimal management of ESSs in both operation modes: grid-connected and islanded modes.
In recent times, the energy consumed by buildings facilities became considerable. Efficient local energy management is vital to deal with building power demand penalties. This operation becomes complex when a hybrid energy system is included in the power system. This study proposes new energy management between photovoltaic (PV) system, Battery Energy Storage System (BESS) and the power network in a building by controlling the PV/BESS inverter. The strategy is based on explicit model predictive control (MPC) to find an optimal power flow in the building for one-day ahead. The control algorithm is based on a simple power flow equation and weather forecast. Then, a cost function is formulated and optimised using genetic algorithms-based solver. The objective is reducing the imported energy from the grid preventing the saturation and emptiness of BESS. Including other targets to the control policy as energy price dynamic and BESS degradation, MPC can optimise dramatically the efficacy of the global building power system. The strategy is implemented and tested successfully using MATLAB/SimPowerSystems software, compared to classical hysteresis management, MPC has given 10% in energy cost economy and 25% improvement in BESS lifetime.
Prädiktive Betriebsverfahren
(2010)
Durch die Nutzung von Wetterprognosen lässt sich der Betrieb moderner Bürogebäude hinsichtlich Energiebedarf und Komfort verbessern. Ziel dieses Vorhabens ist es, mathematische Optimierungsverfahren für die Nutzung in der Gebäudeautomation zu entwickeln. Die Entwicklung einer vom Internet unabhängigen Versorgung mit Wetterprognosen über einen Langwellensender ist ebenfalls Gegenstand des Forschungsprojekts.
In this paper, a new method is demonstrated for online remote simulation of photovoltaic systems. The required communication technology for the data exchange is introduced and the methods of PV generator parameter extraction for the simulation models are analysed. The method shown for parameter extraction from the manufacturer data is especially useful for the commissioning procedure, where the measured installed power is transferred to standard test conditions using the simulation model and can then be easily compared with the design power. At a simulation accuracy of 2% using the software environment INSEL ® any problems with the PV generator can reliably be detected. Online simulation of a grid connected PV generator is then carried out during the operation of the photovoltaic plant. The visualisation includes both the monitored and the simulated online data sets, so that a very efficient fault detection scheme is available. The method is implemented and validated on several grid connected photovoltaic power plants in Germany. It is excellently suited to provide automatic and real time fault detection and significantly improve the commissioning procedure for photovoltaic plants of all sizes.
This paper presents the use of model predictive control (MPC) based approach for peak shaving application of a battery in a Photovoltaic (PV) battery system connected to a rural low voltage gird. The goals of the MPC are to shave the peaks in the PV feed-in and the grid power consumption and at the same time maximize the use of the battery. The benefit to the prosumer is from the maximum use of the self-produced electricity. The benefit to the grid is from the reduced peaks in the PV feed-in and the grid power consumption. This would allow an increase in the PV hosting and the load hosting capacity of the grid.
The paper presents the mathematical formulation of the optimal control problem
along with the cost benefit analysis. The MPC implementation scheme in the
laboratory and experiment results have also been presented. The results show
that the MPC is able to track the deviation in the weather forecast and operate
the battery by solving the optimal control problem to handle this deviation.
In rural low voltage grid networks, the use of battery in the households with a grid connected Photovoltaic (PV) system is a popular solution to shave the peak PV feed-in to the grid. For a single electricity price scenario, the existing forecast based control approaches together with a decision based control layer uses weather and load forecast data for the on–off schedule of the battery operation. These approaches do bring cost benefit from the battery usage. In this paper, the focus is to develop a Model Predictive Control (MPC) to maximize the use of the battery and shave the peaks in the PV feed-in and the load demand. The solution of the MPC allows to keep the PV feed-in and the grid consumption profile as low and as smooth as possible. The paper presents the mathematical formulation of the optimal control problem along with the cost benefit analysis . The MPC implementation scheme in the laboratory and experiment results have also been presented. The results show that the MPC is able to track the deviation in the weather forecast and operate the battery by solving the optimal control problem to handle this deviation.
The increase in households with grid connected Photovoltaic (PV) battery system poses challenge for the grid due to high PV feed-in as a result of mismatch in energy production and load demand. The purpose of this paper is to show how a Model Predictive Control (MPC) strategy could be applied to an existing grid connected household with PV battery system such that the use of battery is maximized and at the same time peaks in PV energy and load demand are reduced. The benefits of this strategy are to allow increase in PV hosting capacity and load hosting capacity of the grid without the need for external signals from the grid operator. The paper includes the optimal control problem formulation to achieve the peak shaving goals along with the experiment set up and preliminary experiment results. The goals of the experiment were to verify the hardware and software interface to implement the MPC and as well to verify the ability of the MPC to deal with the weather forecast deviation. A prediction correction has also been introduced for a short time horizon of one hour within this MPC strategy to estimate the PV output power behavior.
Das Projektvorhaben "Energienetzmanagement dezentraler KWK‐Anlagen mit diversen Verbraucherstrukturen", das vom Innovationsfonds der badenova AG & Co KG von Mai 2012 bis Juli 2016 unter der Fördernummer 2012‐09 gefördert wurde kann aus Sicht des Projektnehmers Hochschule Offenburg und seiner Partner Stadt Offenburg und G. und M. Zapf Energie GbR mbH als sehr erfolgreich umgesetztes Fördervorhaben bezeichnet werden. Während der ca. vier Jahre Projektlaufzeit konnten mehrere Reallabore geschaffen werden, die an die Eigenschaften eines Subnetzes in einem Smart Grid sehr nah herangeführt wurden. Alle Objekte bzw. Netzstrukturen verfügen über typische Komponenten eines Microgrids mit Energiequellen, Speichern und Senken. Auch wurde die Trigeneration als Netzvariante mit Strom‐ Wärme und Kältebereitstellung aufgegriffen und für Verteilnetzmodelle der Niederspannungsebene beschrieben. Ausgehend von einem Mikronetzmodell für jede Energieart kann hinter jeder Trafostation eine beliebig komplexe Energieversorgungsstruktur aufgespannt werden.
Three real-lab trigeneration microgrids are investigated in non-residential environments (educational, office/administrational, companies/production) with a special focus on domain-specific load characteristics. For accurate load forecasting on such a local level, à priori information on scheduled events have been combined with statistical insight from historical load data (capturing information on not explicitly-known consumer behavior). The load forecasts are then used as data input for (predictive) energy management systems that are implemented in the trigeneration microgrids. In real-world applications, these energy management systems must especially be able to carry out a number of safety and maintenance operations on components such as the battery (e.g. gassing) or CHP unit (e.g. regular test runs). Therefore, energy management systems should combine heuristics with advanced predictive optimization methods. Reducing the effort in IT infrastructure the main and safety relevant management process steps are done on site using a Smart & Local Energy Controller (SLEC) assisted by locally measured signals or operator given information as default and external inputs for any advanced optimization. Heuristic aspects for local fine adjustment of energy flows are presented.
An energy oriented design concept was developed within the research project PHOTOPUR which has the development of a PV powered water cleaning system as main focus. During a wine season Plant Protection Products (PPP) are several times sprayed on plants to protect them of undesired insects and herbs or avoid hazardous fungus
types. A work package of the project partner INES in Offenburg led to a design introducing energy profiling already in the early beginning of a product design. The concept is based on three pillars respecting first the
requirements of the core process making up filtering and cleaning and secondary aspects which run, support, maintain and monitor the system to secure availability and product reliability.
The presented paper shows that the results of the design tools guided the developers to assemble a functional model of the water decontamination unit which was manually tested with its concatenated steps of the water cleaning process.
The PHOTOPUR project aims to develop a photocatalytic process as a type of AOPs (Advanced Oxidation Processes) for the elimination of plant protection products (PPP) of the cleaning water used to wash sprayers. At INES a PV based energy supply for the photocatalytic cleaning system was developed within the framework of two bachelor theses and assembled as a demonstration unit. Then the system was step by step extended with further process automation features and pushed to a remote operating device. The final system is now available as a mobile unit mounted on a lab table. The latest step was the photocatalytic reactor module which completed the first PHOTOPUR prototype. The system is actually undergoing an intensive testing phase with performance checks at the consortium partners. First results give an overview about the successful operation.
Beim vorliegenden EnBau-Forschungsvorhaben sollte im Rahmen des ENOB-Förderprogramm ein Langzeitmonitoring des Neubauvorhabens Solar Info Center Freiburg (SIC) mit folgenden Untersuchungsschwerpunkten durchgeführt werden:
• Natürliche Klimatisierung mit Nachtlüftung und Einzelanbindung der Büroflächen
• Erdsondenkühlung für Seminarraum und Foyer
• Zonenweise Abschaltung und Optimierung des Heizbetriebs
• Optimierung Lüftungsbetrieb
• Sonnenschutzanlagen
• Analyse Stromverbrauch / Gesamtenergiebilanz
• Bedarfsanalyse der Nutzer
• Erstellung einer „Betriebsanleitung“ für das Gebäude
• Kurzzeitmessungen
• Gebäudeautomation
Die gesamte Projektlaufzeit wurde auf drei Jahre angesetzt die Datenerfassung für das Monitoring sollte dabei mindestens 2 Jahre betragen.
Mit dem Anliegen, der sommerlichen Überhitzungssituation in Klassenzimmern wirksam entgegenzuwirken, ist die Stadt Offenburg an die Forschungsgruppe net der Hochschule Offenburg herangetreten. Im Sinn der Nachhaltigkeit sollten Maßnahmen ausgearbeitet und umgesetzt werden, die ohne aktive Kühlsysteme auskommen.
Sustainable Aspects force a building manager to continuous observation of actual states and developments concerning building use, energy and media flows.In the presented approach a communication structure was built up to use different software applications and tools in order to optimize the operation of the building.
Der vorliegende Leitfaden „Natürliche Gebäudeklimatisierung in Klassenzimmern“ greift einen nachhaltigen Ansatz zur deutlichen Reduzierung der sommerlichen Wärmebelastung in Klassenzimmern auf. Insbesondere die ersten sechs Jahre des 21. Jahrhunderts zeigten verstärkt Überhitzungstendenzen in sehr vielen Schulgebäuden der Region südlicher Oberrhein. In Verbindung mit der Umstellung des Schulbetriebs auf die Ganztagsschule und der deutlichen Verstärkung der Überhitzungstendenz in sanierten Gebäuden, die mit einem modernisierten Wärmeschutz versehen sind, zeigte sich für die Stadt Offenburg ein wichtiger Handlungsbedarf auf.
Aus der Kooperation der Stadt Offenburg mit der Hochschule Offenburg entwickelten sich mehrere Maßnahmenpakete bestehend aus einer Kombination bekannter physikalischer Sachverhalte und Verfahren, die mit den Möglichkeiten einer Gebäudeautomation gekoppelt werden und durch Einbindung der Nutzer in das Betriebskonzept zu einem thermisch verbesserten Arbeits- und Lernklima führen.
PHOTOPUR hat die Entwicklung eines photokatalytischen Prozesses zur Beseitigung von Pflanzenschutzmitteln (PSM) aus dem Reinigungswasser von Spritzgeräten zum Ziel. Am INES wurde eine Energieversorgung für die photokatalytische Reinigung in zwei Bachelorarbeiten entwickelt und als Demosystem aufgebaut. Das Gesamtsystem ist nun als mobile Einheit verfügbar und wurde zuletzt um das Reaktormodul für den photokatalytischen Prozeß erweitert und den Partnern für intensive Tests übergeben.
Renewable energy sources such as solar radiation, geothermal heat and ambient heat are available for energy conversion. With the help of special converters, these resources can be put to use. These include solar collectors, geothermal probes and chillers. They collect the energy and convert it to a temperature level high enough to be suitable for heat purposes. In the case of refrigeration machines, a distinction is made between electrically and thermally driven machines.
Dieses Fachbuch gibt einen vertieften Einblick in das dynamische Verhalten von thermoaktiven Bauteilsystemen. Es wird eine neu entwickelte und vielfach erprobte, selbstlernende und vorausschauende TABS-Steuerung vorgestellt. Dazu wird auf die Erfordernisse einer effektiven TABS-Steuerung eingegangen und die Grundlagen und Funktionsweise der neu entwickelten AMLR-Steuerung erläutert. Anhand mehrerer Anwendungsbeispiele wird die Umsetzung in die bauliche Praxis erläutert und mit Hilfe von umfangreichen Messergebnissen die Funktion der neuen AMLR-Steuerung nachgewiesen. Abschließend werden Empfehlungen für die Anwendung von AMLR in der baulichen TABS-Praxis hinsichtlich Anlagenhydraulik und Umsetzung in der Gebäudeautomation gegeben.
Über zwei Jahrzehnte hat sich an der Hochschule Offenburg im Umfeld von Professor Elmar Bollin eine Forschungsgruppe etabliert, die die Bereiche Gebäudeautomation und nachhaltige Energietechnik zusammenführten. Anfänglich ging es darum die Potenziale der internetbasierten Wetterprognostik und modell-basierten Anlagensteuerung für die Verbesserung des Komforts und der Energieeffizienz im Gebäude zu nutzen. Im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit Einsatz von dynamischen Gebäudesimulationen konnte schließlich ein Algorithmus gefunden werden, der es ermöglichte auf Basis von prognostizierter Außentemperatur und Sonneneinstrahlung den Energiebedarf eines Bürogebäudes für den Folgetag vorherzusagen. In Verbindung mit der Gebäudeautomation entstand so die adaptive und prädiktive TABS-Steuerung AMLR.
Über zwei Jahrzehnte hat sich an der Hochschule Offenburg eine Forschungsgruppe etabliert, die die beiden Bereiche Gebäudeautomation und nachhaltige Energietechnik zusammenführte. Anfangs ging es darum, Potentiale der internetbasierten Wetterprognostik und modell-basierten Anlagensteuerung für die Verbesserung des Komforts und der Energieeffizienz im Gebäude zu nutzen. Im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit Einsatz von dynamischen Gebäudesimulationen konnte ein Algorithmus gefunden werden, der es ermöglichte auf Basis von prognostizierter Außentemperatur und Sonneneinstrahlung den Energiebedarf eines Bürogebäudes für den Folgetag vorherzusagen. In Verbindung mit der Gebäudeautomation entstand so die adaptive und prädiktive TABS-Steuerung AMLR.
Small is beautiful oder wissenschaftlich-technische Begleitung eines Feldtests mit Mikro-BHKWs
(2010)
Die effiziente Nutzung der vorhandenen Energieträger, die Einführung neuer umweltschonender und energiesparender Technologien sowie neue Formen der Energieerzeugung und -verteilung werden aufgrund des steigenden Energieverbrauchs, knapper werdender Ressourcen und Gründen des Klimaschutzes immer wichtiger. Eine sinnvolle Option für höhere Energieeffizienz ist die dezentrale Stromerzeugung mit Blockheizkraftwerken (BHKW) im Ein- und Zweifamilienhausbereich.
Zum ersten Mal gibt es mit dem kooperativen Promotionskolleg über „Kleinskalige erneuerbare Energiesysteme – KleE“ für hochqualifizierte Absolventen der Hochschule Offenburg die Möglichkeit zur Promotion innerhalb des engen wissenschaftlichen Austauschs eines Doktorandenkollegs. Betreut werden sie gemeinsam von je einem Universitätsprofessor und einem Hochschulprofessor. In Zusammenarbeit mit der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, dem Zentrum für Erneuerbare Energien (ZEE), und den Fraunhofer-Instituten für Solare Energiesysteme (ISE) sowie für Physikalische Messtechnik (IPM) forschen 15 Doktorandinnen und Doktoranden im Promotionskolleg KleE an interdisziplinären Forschungsthemen.
Die Hochschule Offenburg begleitet seit Juli 2006 in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE in Freiburg und der HfT Stuttgart die Solar unterstützte Klimatisierung der Festo AG & Co. KG in Esslingen. Die Anlage wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens Solarthermie-2000plus vom Bundesumweltministerium gefördert. Dabei wurde die bereits bestehende Adsorptionskälteanlage, die bisher mit Kompressorenabwärme und Gaskesseln betrieben wurde, durch eine Betriebsanalyse und energetische Bewertung einer solarthermischen Anlage zur Unterstützung der Kälteversorgung eines Büro- und Verwaltungsgebäudes Solaranlage als dritter Wärmelieferant ergänzt.
Die Hochschule Offenburg begleitet seit Juli 2006 in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE in Freiburg, die solar unterstützte Klimatisierung der Festo AG & Co. KG in Esslingen im Rahmen des Forschungsvorhabens Solarthermie2000plus. Dabei wurde die bereits bestehende Adsorptionskälteanlage, die bisher mit Gaskesseln und Kompressorenabwärme betrieben wurde, durch eine Solaranlage als dritte Wärmequelle ergänzt.
Der sommerliche Wärmeschutz von Schulgebäuden im Oberrheingraben und die Bereitstellung von Kühlenergie wurden bereits untersucht und finden Aufnahme im Leitfaden „Natürliche Gebäudeklimatisierung in Klassenzimmern des südlichen Oberrheins“. Im Rahmen der Arbeiten zur Minderung der sommerlichen Überhitzung wurde durch den Einbau und die damit verbundene kontinuierliche Aufzeichnung der CO2‐Konzentrationen der Raumluft festgestellt, dass besonders im Winterhalbjahr eine Verbesserung der Luftqualität erreicht werden muss.
Solartechnik
(2007)
Kühlen mit Wärme
(2009)
Am Standort Rottweil der Deutschen Telekom wurde im April 2011 eine Solaranlage zur Unterstützung der Gebäudeklimatisierung in Betrieb genommen. Die Solaranlage ist die dritte Wärmequelle, die in das bestehende Heizungsnetz einspeist. Die schon vorhandenen Absorptionskältemaschinen wurden zuvor mit Gaskesseln und der Abwärme eines Blockheizkraftwerks (BHKW) betrieben. Das Kollektorfeld mit einer Brutto-Kollektorfläche von 503 m² wurde auf dem Flachdach eines Werkstattgebäudes installiert, wobei der Solarspeicher neben diesem Gebäude im Freien aufgestellt wurde. Der Wärmeübertrager zwischen Kollektoren und Solarspeicher wurde zusammen mit den Pumpen und sonstigen Armaturen im Keller des Gebäudes untergebracht. Durch den Einsatz der Solaranlage wird ein Teil des für die Klimatisierung und Raumheizung erforderlichen Brennstoffs eingespart, ein Beitrag zum Klimaschutz geleistet und eine Verbrauchskostenreduzierung erreicht. Mit der erzeugten Kälte werden die Technik- und Serverräume sowie ein Call-Center der Deutschen Telekom gekühlt.
Im Rahmen des Programms Solarthermie2000plus wurde eine begrenzte Anzahl solarthermischer Pilot sowie Forschungs- und Demonstrationsanlagen zur Teildeckung des Wärmebedarfs unterschiedlicher Verbraucher im Niedertemperaturbereich modellhaft gefördert. Mit Solarthermie2000plus führte das BMU im Rahmen des Energieforschungsprogramms der Bundesregierung die langfristig angelegten Forschungsaktivitäten zur thermischen Nutzung der Sonnenenergie des Förderkonzepts Solarthermie-2000 mit neuen Schwerpunkten fort.
In Solarthermie-2000, Teilprogramm 2 soll anhand von Beispiellösungen für größere solarthermische Anlagen mit einer Mindestkollektorfläche von 100 m² an unterschiedlich genutzten Gebäuden nachgewiesen werden, dass im Bereich der thermischen Solarenergienutzung technisch gute Lösungen zur Verfügung gestellt werden können. Diese Systemlösungen sollen weiter verbessert und angepasst werden. Zugleich soll erreicht werden, dass die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit gesteigert wird, indem durch Reduzierung der spezifischen Systemkosten und Erhöhung des spezifischen Nutzenergieertrages die solaren Nutzwärmekosten gesenkt werden.
Getragen vom großen Erfolg der Veranstaltungen in den USA in 2008, weitete die Forschungsgruppe nachhaltige Energietechnik (net) seine Aktivitäten in den USA, aber auch in Kanada, Brasilien und in Ländern Osteuropas aus. Trotz anhaltender Wirtschaftskrise in 2009 herrscht in den USA, aber auch weltweit eine erfreulich optimistische Grundstimmung, wenn es um die Nutzung alternativer, erneuerbarer Energien und Fragen der effizienten Energieversorgung geht.
This central book chapter now details the implementation of automation of solar domestic hot water systems, solar assisted building heating, rooms, solar cooling systems, heat pump heating systems, geothermal systems and thermally activated building component systems. Hydraulic and automation diagrams are used to explain how the automation of these systems works. A detailed insight into the engineering and technical interrelationships involved in the use of these systems, as well as the use of simulation tools, enables effective control and regulation. System characteristic curves and systematic procedures support the automation engineer in his tasks.
Mit dem Wetter sparen
(2010)
Eine Besonderheit des Ende Januar 2008 abgeschlossenen Langzeitmonitoring des Solar Info Center Freiburg (Förderkennzeichen BMWi 0335007U) ist die Erweiterung des Lüftungsbetriebs mit dem gelungenen Einsatz des an der Hochschule entwickelten Konzepts einer intelligenten dynamischen Betriebsführung (idB) unter Nutzung von Expertenwissen, Simulationsrechnungen und Prognosen. Im ersten Testbetrieb im Sommer 2006 konnte in einem Teilbereich des Solar-Info-Center-Gebäudes der Energiebedarf für die Dachventilatoren um 38 % gesenkt werden. Nach Auswertungen des Testbetriebs wurde das System im Jahr 2007 für den Betrieb im gesamten Gebäude angepasst. Die Mehrkosten des Betreibers für die Nutzung dieser Optimierung belaufen sich hauptsächlich auf den Bezug von Wetterdaten eines Wetterdienstes.
Rund ein Drittel (2.529 PJ) der in Deutschland verwendeten Endenergie wird von der Industrie genutzt. Es gibt viele Industriebereiche in denen die Prozessluftaufbereitung eine wichtige Rolle spielt. Beispielhaft ist die Lebensmittel-, die Pharma- und die Halbleiterindustrie zu nennen. In all diesen Bereichen wird Luft mit bestimmten Konditionen benötigt, um Produkte präzise und unter Einhaltung aller Auflagen herstellen zu können. Die Luftaufbereitung ist meist mit einem großen Energieaufwand verbunden. Hierzu ist es erforderlich, Prozesswärme und/oder Prozesskälte zur Verfügung zu haben.
Automation devices or automation stations (AS) take on the task of controlling, regulating, monitoring and, if necessary, optimising building systems and their system components (e.g. pumps, compressors, fans) based on recorded process variables. For this purpose, a wide range of control and regulation methods are used, starting with simple on/off controllers, through classic PID controllers, to higher-order controllers such as adaptive, model-predictive, knowledge-based or adaptive controllers.
Starting with a brief introduction to automation technology (Sect. 7.1), the chapter goes into the structure and functionality of the usual compact controllers using the application examples of solar thermal systems and heat pump systems (Sect. 7.2). Finally, the integration of system automation into a higher-level building automation system and into the building management system is described using specific application examples (Sect. 7.3).
The use of renewable energy sources for heating and cooling in buildings today offers the best opportunities to avoid the use of fossil fuels and the associated climate-damaging emissions. However, unlike fossil fuels, renewable energy sources such as solar radiation are not available at the push of a button, but occur uncontrollably depending on weather conditions, the location of the building and the time of year. Their use is free of charge. However, complex converters and systems usually have to be installed in order to use them. These must be carefully planned and operated in order to avoid unnecessary costs and to generate the maximum possible yield. The regenerative energy systems are usually integrated into existing conventional systems. When designing the control and regulation equipment, it is crucial to design the automation of the systems in such a way that primarily renewable energy sources are used and the share of fossil energy sources is minimized.