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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).
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.
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.
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.
Solartechnik
(2022)
Die Erde ist ein Empfänger für kosmische Strahlungen. Sie empfängt nur einen winzigen Bruchteil der von der Sonne ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung. Dieser Bruchteil ist im Wesentlichen bestimmt durch den Abstand zwischen Sonne und Erde und durch das Verhältnis der Durchmesser von Erde und Sonne. Außerhalb der Erdatmosphäre, also extraterrestrisch, werden vom World Radiation Center WRC je Quadratmeter horizontaler Empfängerfläche 1,367 kW/m2 ± 1 % konstant über das gesamte Jahr gemessen.
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.
Energiemanagement im Betrieb
(2021)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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 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.
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.