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Die fluktuierende Verfügbarkeit regenerativer Energiequellen stellt eine Herausforderung bei der Planung und Auslegung regenerativer Gebäudeenergiesysteme dar. Die in einem System benötigten Speicherkapazitäten hängen dabei sowohl von der eingesetzten Regelungsstrategie als auch von den temperaturabhängigen Wirkungsgraden der Anlagenkomponenten ab. Genauere Einblicke in das Betriebsverhalten eines Gesamtsystems können dynamische Simulationen liefern, die eine Analyse der Systemtemperaturen und von Teilenergiekennwerten ermöglichen.
Drawing off the technical flexibility of building polygeneration systems to support a rapidly expanding renewable electricity grid requires the application of advanced controllers like model predictive control (MPC) that can handle multiple inputs and outputs, uncertainties in forecast data, and plant constraints amongst other features. In this original work, an economic-MPC-based optimal scheduling of a real-world building energy system is demonstrated and its performance is evaluated against a conventional controller. The demonstration includes the steps to integrate an optimisation-based supervisory controller into a standard building automation and control system with off-the-shelf HVAC components and usage of state-of-art algorithms for solving complex nonlinear mixed integer optimal control problems. With the MPC, quantitative benefits in terms of 6–12% demand-cost savings and qualitative benefits in terms of better controller adaptability and hardware-friendly operation are identified. Further research potential for improving the MPC framework in terms of field-level stability, minimising constraint violations, and inter-system communication for its deployment in a prosumer-network is also identified.
Optimisation based economic despatch of real-world complex energy systems demands reduced order and continuously differentiable component models that can represent their part-load behaviour and dynamic responses. A literature study of existing modelling methods and the necessary characteristics the models should meet for their successful application in model predictive control of a polygeneration system are presented. Deriving from that, a rational modelling procedure using engineering principles and assumptions to develop simplified component models is applied. The models are quantitatively and qualitatively evaluated against experimental data and their efficacy for application in a building automation and control architecture is established.
Thermisch angetriebene (Adsorptions-)Kältemaschinen können mit einem verhältnismäßig geringen elektrischen Energieaufwand bzw. mit einer hohen elektrischen Leistungszahl Kälte bereitstel-len. Wird die zum Antrieb erforderliche Wärme aus industrieller Abwärme bereitgestellt, ist diese Kältebereitstellung energetisch effizienter als die Kältebereitstellung über eine Kompressionskäl-temaschine. Wird die Wärme jedoch in Kraft-Wärme-Kopplung bereitgestellt, ist die primärenergetische Bewertung sowohl von mehreren Teilwirkungsgraden als auch den Primärenergiefaktoren für den eingesetzten Brennstoff und die erzeugte bzw. bezogene elektrische Energie abhängig. Eine umfangreiche Messkampagne im Sommer 2018 liefert unter realitätsnahen Randbedingungen in einer Labor umgebung detaillierte Energiekennzahlen für einen typischen Tagesgang des Kältebedarfs. Damit gelingt es, Teilenergiekennwerte für die Planungspraxis abzuleiten und das Gesamtsystem energetisch mit einer konventionellen Kompressionskältemaschine zu vergleichen.
With the need for automatic control based supervisory controllers for complex energy systems, comes the need for reduced order system models representing not only the non-linear behaviour of the components but also certain unknown process dynamics like their internal control logic. At the Institute of Energy Systems Technology in Offenburg we have built a real-life microscale trigeneration plant and present in this paper a rational modelling procedure that satisfies the necessary characteristics for models to be applied in model predictive control for grid-reactive optimal scheduling of this complex energy system. These models are validated against experimental data and the efficacy of the methodology is discussed. Their application in the future for the optimal scheduling problem is also briefly motivated.
Membrane distillation (MD) is a thermal separation process which possesses a hydrophobic, microporous
membrane as vapor space. A high potential application for MD is the concentration of hypersaline brines, such as
e.g. reverse osmosis retentate or other saline effluents to be concentrated to a near saturation level with a Zero
Liquid Discharge process chain. In order to further commercialize MD for these target applications, adapted MD
module designs are required along with strategies for the mitigation of membrane wetting phenomena. This
work presents the experimental results of pilot operation with an adapted Air Gap Membrane Distillation
(AGMD) module for hypersaline brine concentration within a range of 0–240 g NaCl /kg solution. Key performance
indicators such as flux, GOR and thermal efficiency are analyzed. A new strategy for wetting mitigation
by active draining of the air gap channel by low pressure air blowing is tested and analyzed. Only small reductions
in flux and GOR of 1.2% and 4.1% respectively, are caused by air sparging into the air gap channel.
Wetting phenomena are significantly reduced by avoiding stagnant distillate in the air gap making the air blower
a seemingly worth- while additional system component.
Energy consumption for cooling is growing dramatically. In the last years, electricity peak consumption grew significantly, switching from winter to summer in many EU countries. This is endangering the stability of electricity grids. This article outlines a comprehensive analysis of an office building performances in terms of energy consumption and thermal comfort (in accordance with static – ISO 7730:2005 – and adaptive thermal comfort criteria – EN 15251:2007 –) related to different cooling concepts in six different European climate zones. The work is based on a series of dynamic simulations carried out in the Trnsys 17 environment for a typical office building. The simulation study was accomplished for five cooling technologies: natural ventilation (NV), mechanical night ventilation (MV), fan-coils (FC), suspended ceiling panels (SCP), and concrete core conditioning (CCC) applied in Stockholm, Hamburg, Stuttgart, Milan, Rome, and Palermo. Under this premise, the authors propose a methodology for the evaluation of the cooling concepts taking into account both, thermal comfort and energy consumption.
Since 2003, most European countries established heat health warning systems to alert the population to heat load. Heat health warning systems are based on predicted meteorological conditions outdoors. But the majority of the European population spends a substantial amount of time indoors, and indoor thermal conditions can differ substantially from outdoor conditions. The German Meteorological Service (Deutscher Wetterdienst, DWD) extended the existing heat health warning system (HHWS) with a thermal building simulation model to consider heat load indoors. In this study, the thermal building simulation model is used to simulate a standardized building representing a modern nursing home, because elderly and sick people are most sensitive to heat stress. Different types of natural ventilation were simulated. Based on current and future test reference years, changes in the future heat load indoors were analyzed. Results show differences between the various ventilation options and the possibility to minimize the thermal heat stress during summer by using an appropriate ventilation method. Nighttime ventilation for indoor thermal comfort is most important. A fully opened window at nighttime and the 2-h ventilation in the morning and evening are more sufficient to avoid heat stress than a tilted window at nighttime and the 1-h ventilation in the morning and the evening. Especially the ventilation in the morning seems to be effective to keep the heat load indoors low. Comparing the results for the current and the future test reference years, an increase of heat stress on all ventilation types can be recognized.
Techno-economic comparison of membrane distillation and MVC in a zero liquid discharge application
(2018)
Membrane distillation (MD) is a thermally driven membrane process for the separation of vapour from a liquid stream through a hydrophobic, microporous membrane. However, a commercial breakthrough on a large scale has not been achieved so far. Specific developments on MD technology are required to adapt the technology for applications in which its properties can potentially outshine state of the art technologies such as standard evaporation. In order to drive these developments in a focused manner, firstly it must be shown that MD can be economically attractive in comparison to state of the art systems. Thus, this work presents a technological design and economic analysis for AGMD and v-AGMD for application in a zero liquid discharge (ZLD) process chain and compares it to the costs of mechanical vapour compression (MVC) for the same application. The results show that MD can potentially be ~40% more cost effective than MVC for a system capacity of 100 m3/day feed water, and up to ~75% more cost effective if the MD is driven with free waste heat.
In 35 deutschen und 7 europäischen Büro- und Verwaltungsgebäuden wurden auf Basis von Monitoringkampagnen über mehrere Betriebsjahre Raum- und Außentemperaturwerte in zeitlich hoher Auflösung erfasst und der thermische Raumkomfort im Sommer standardisiert nach der Komfortnorm DIN EN 15251:2007-08 detailliert ausgewertet. Ergänzt wird die Auswertung um Kurzzeitmesskampagnen über zwei sehr warme Wochen im Sommer in unsanierten bzw. teilsanierten Bürogebäuden, errichtet im Zeitraum von 1960 bis 1975. Die untersuchten Gebäude mit ihrem jeweiligen Kühlkonzept lassen sich in sechs Kategorien einteilen: ohne Kühlung, passive, luftgeführte und wassergeführte Kühlung sowie Mixed-mode-Kühlung und Vollklimatisierung. Im Quervergleich aller Gebäude werden die Kühlkonzepte gleichermaßen nach dem thermischen Raumkomfort und thermischen Kühlenergiebezug bewertet. Detaillierte Komfortuntersuchungen nach der Europäischen Komfortnorm DIN EN 15251:2007-08 geben Hinweise auf die Wirksamkeit der eingesetzten Kühltechnologien in den jeweiligen Klimazonen. Daraus lassen sich Handlungsempfehlungen für die Planungspraxis und den Gebäudebetrieb ableiten.
Mit längerfristigen Nutzerbefragungen in zwei unmittelbar benachbarten Bürogebäuden in Freiburg wurden das Temperaturempfinden der Nutzer und deren Zufriedenheit mit dem thermischen Raumkomfort zweimal täglich erfasst. Ein Bürogebäude wird im Sommer mit einem maschinellen Nachtlüftungskonzept konditioniert und das zweite verfügt über eine Betonkerntemperierung und eine Zu‐ und Abluftanlage. Auf Basis der vorhandenen Daten aus der Erhebung wurde mit Hilfe von Regressionsanalysen ein Modell zur Vorhersage der Komforttemperatur berechnet und mit den Modellen in DIN EN 15251 verglichen.
Unter dem europäischen Programm Intelligent Energy for Europe (IEE) fanden sich acht europäische Partner zusammen, um im Rahmen des Projektes ThermCo Lüftungs‐ und Kühlenergiekonzepte für Nichtwohngebäude mit niedrigem Energieeinsatz im Hinblick auf die Energieeffizienz und den thermischen Raumkomfort zu bewerten (siehe Teil 1 dieser Veröffentlichung in Bauphysik 34 (2012), Heft 6. Mit Hilfe einer Simulationsstudie für ein typisches Bürogebäude wird das Potenzial unterschiedlicher Lüftungs‐ und Kühlstrategien unter Berücksichtigung von Energieeffizienz und Raumkomfort für verschiedene europäische Klimazonen bewertet. Die Ergebnisse weisen eine hohe Wirksamkeit von Nachtlüftungskonzepten im nord‐europäischen Sommerklima mit verhältnismäßig niedrigen Außentemperaturen nach. Im mitteleuropäischen Sommerklima bietet das Erdreich ein ausreichend niedriges Temperaturniveau für den effizienten Einsatz von wassergeführten Flächentemperiersystemen. Im südeuropäischen Sommerklima kann eine aktive Kühlung über Luft die hohen und schnell fluktuierenden Kühllasten effizient abführen.
Mit längerfristigen Nutzerbefragungen in zwei unmittelbar benachbarten Bürogebäuden in Freiburg wurden das Temperaturempfinden der Nutzer und deren Zufriedenheit mit dem thermischen Raumkomfort zweimal täglich erfasst. Ein Bürogebäude wird im Sommer mit einem maschinellen Nachtlüftungskonzept konditioniert und das zweite verfügt über eine Betonkerntemperierung und eine Zu- und Abluftanlage. Auf Basis der vorhandenen Daten aus der Erhebung wurde mit Hilfe von Regressionsanalysen ein Modell zur Vorhersage der Komforttemperatur berechnet und mit den Modellen in DIN EN 15251 verglichen.
In der Planungs- und Betriebspraxis herrscht im Bereich der Betriebsführung von thermisch aktivierten Bauteilsystemen und insbesondere der thermisch trägen Bauteilaktivierung noch große Unsicherheit. Trotz einer weiten Verbreitung dieser Systeme im Neubau von Nichtwohngebäuden hat sich bis heute keine einheitliche Betriebsführungsstrategie durchgesetzt. Vielmehr kritisieren Bauherren und Nutzer regelmäßig zu hohe bzw. niedrige Raumtemperaturen in den Übergangsjahreszeiten und bei Wetterwechsel sowie generell eine mangelhafte Regelbarkeit. Demgegenüber weisen Monitoringprojekte immer wieder einen hohen thermischen Komfort in diesen Gebäuden nach. Offensichtlich unterscheiden sich hier subjektiv empfundene Behaglichkeit und objektiv gemessener Komfort. Gleichzeitig sind Heiz- und Kühlkonzepte mit Flächentemperierung dann besonders energieeffizient, wenn das Regelkonzept auf deren thermische Trägheit angepasst ist. Eine gute Regelung gewährleistet also einen hohen thermischen Komfort und sorgt für einen möglichst niedrigen Energieeinsatz. Das Rechenverfahren mit Anlagenaufwandszahlen (in Anlehnung an DIN V 18599) bietet eine gute Möglichkeit, Anlagenkonzepte inklusive deren Betriebsführungsstrategie zu bewerten. Damit ist es möglich, eine auf das Gebäude angepasste Betriebsführungsstrategie für die Bauteilaktivierung zu finden und einheitlich zu bewerten.
Mit der Messung des Wärme- und Kälteverbrauchs im Labor gelingt es, sowohl thermisch träge als auch agile Flächentemperiersysteme unter praxisnahen, dynamischen Bedingungen messtechnisch zu bewerten. Werden Nutzwärme- und Nutzkältebedarf berechnet und ins Verhältnis zu den gemessenen Verbräuchen gesetzt, können die Aufwandzahlen für die Nutzenübergabe ece für verschiedene Flächentemperiersysteme und in Kombinationen mit anderen Übergabesystemen unter verschiedenen Nutzungsbedingungen und für unterschiedliche Betriebsführungsstrategien bestimmt werden. Damit stehen Aufwandszahlen auf Basis kalorischer Messungen zur Verfügung, die je nach Aufgabenstellung entweder produkt- oder objektbezogen in der Planung komplexer Energiekonzepte verwendet werden können und die tatsächlichen Aufwandszahlen eh, ce für den Heizfall bzw. ec, ce für den Kühlfall genauer als Literaturwerte bzw. projektbezogen beschreiben
The current methods used to assess the energy performance of ventilation devices do not consider all the aspects necessary for a comprehensive evaluation of decentralised ventilation concepts and can only be partially adapted to their needs. In order to improve the energy evaluation and to ensure the comparability of different systems, a calorimetric method was developed and implemented in test facilities for the evaluation of two decentralised devices: one equipped with a recuperative counter flow heat exchanger and one with a regenerative heat exchanger. This method, based on direct measurements of the heating load in an insulated test room, includes the effect of the electrical consumption of the fans on the energy performance of the ventilation devices. The calorimetric evaluation method was extended to a seasonal evaluation on the basis of a heating-degree-day method implemented for a warm, a cool and a moderate location in Europe: Athens, Strasbourg and Copenhagen. All the results are above 50% efficiency for both devices, even in Athens where the use of heat recovery ventilation is not usual.
Unter dem europäischen Programm Intelligent Energy for Europe (IEE) fanden sich acht europäische Partner zusammen, um im Rahmen des Projektes ThermCo Lüftungs‐ und Kühlenergiekonzepte für Nichtwohngebäude mit niedrigem Energieeinsatz im Hinblick auf die Energieeffizienz und den thermischen Raumkomfort zu bewerten. Die Analyse erfolgte auf Basis von detaillierten Langzeitmessungen über ein Betriebsjahr in acht Demonstrationsgebäuden in unterschiedlichen klimatischen Zonen Europas und einer standardisierten Datenauswertung. Im Quervergleich aller acht Gebäude werden die Kühlkonzepte gleichermaßen nach dem thermischen Kühlenergiebezug, dem thermischen Raumkomfort und dem Primärenergieeinsatz für die technische Gebäudeausrüstung und die Beleuchtung bewertet. Ein Energiekonzept ist erst dann zufriedenstellend, wenn mit möglichst geringem Energieeinsatz und bei hoher Anlageneffizienz ein guter thermischer Raumkomfort zur Verfügung gestellt werden kann. Mit entsprechenden Gebäudesignaturen werden diese Parameter in einen Zusammenhang gebracht und die Zielstellung überprüft. Detaillierte Komfortuntersuchungen nach der europäischen Komfortnorm DIN EN 15251:2007‐08 geben Hinweise auf die Wirksamkeit der eingesetzten Kühltechnologien in den jeweiligen Klimazonen. Daraus lassen sich Handlungsempfehlungen ableiten.
Buildings that are cooled and, if applicable, heated by thermo-active building systems (TABS) in combination with environmental energy have been established in the market during the last years. Many successful and efficient examples prove, that these systems can achieve a good thermal room comfort with a high energy efficiency of the plant system using environmental energy (mainly surface-near geothermal energy). However, operating experience and a systematic evaluation of several building projects demonstrate that there is potential improvement in the design, implementation, and operation of TABS systems. The article presents operating experience and a detailed evaluation of the operation performance of several non-residential buildings with thermo-active building systems with respect to thermal comfort and energy efficiency.