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1. Test 5 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur jedes einzelnen Speichers gestoppt Test 6 Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur jedes einzelnen Speichers freigegeben W rmezufuhr durch W rmepumpe W rmezufuhr durch BHKW o ZN ZN ZN AN 51 53 11 36 Sp2 Sp4 Sp5 Sp6 R cklauf Abbildung A 13 hydraulische Verschaltung des Szenarios 13 A Hilfsmittel 97 Szenariotest 14 Wie in der Abbildung A 14 zusehen ist wird im Szenario 14 mit Hilfe der W rmepumpe die PCM Speicher 2 und 3 parallel beladen w hrend das Blockheizkraftwerk den Heizkreis direkt mit W rme beliefert Test 1 Ist die W rmepumpe bereit zum Beladen Test 2 Sind die Ventile 2 und 4 f r den parallelen Beladevorgang von Speicher 2 3 ge ffnet Test 3 Ist das Blockheizkraftwerk bereit Test 4 Ist das Ventil 56 f r die direkte Belieferung des Vorlaufs f r den Heizkreis ge ffnet Test 5 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur jedes einzelnen Speichers gestoppt Test 6 Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur jedes einzelnen Speichers freigegeben W rmezufuhr durch BHKW W rmezufuhr durch W rmepumpe O Temperatursensor Abbildung A 14 hydraulische Verschaltung des Szenarios 14 A Hilfsmittel 98 Szenariotest 15 Wie in der Abbildung A 15 zusehen ist wird im Szena
2. Dies f hrt dazu dass die Anlage in den Standardbetrieb zur ckversetzt wird sodass sie wieder in den vorher definierten Bereich gelangt Es gibt noch weitere Protokolle die sich f r einen Einsatz in der Managementebene eignen Ein weiterer Ansatz besteht darin dass eine Protokollunabh ngigkeit f r die Steuerung der Forschungsanlagen gilt Dies bedeutet dass das Protokoll austauschbar ist um f r zus tzliche Regelungsaufgaben vorbereitet zu sein Denkbar w re dabei ein typisches Entwicklungsprotokoll das frei programmierbar ist und nach den Bedingungen des For schungsteams angepasst werden kann Hier bietet sich das Protokoll IEC61850 das h ufig als Industrieprotokoll in der Energiewirtschaft eingesetzt wird Aber auch andere Protokolle sind denkbar Wenn die Kommunikationsm glichkeiten gegen bergestellt werden ist die Benutzung 3 Technische Analyse 50 eines Protokolls auf jeden Fall ratsam da damit ein in der Geb udeautomatisierung stan dardisiertes Protokoll verwendet wird Es handelt sich um das BACnet Protokoll was in der Geb udeversorgung zum Einsatz kommt Deshalb sollte dieses Protokoll auch f r die Kommunikation der Forschungsanlagen zur Verf gung stehen Dadurch w re eine reibungs lose Kommunikation zwischen den reinen Forschungsanlagen und den zus tzlich f r die Geb udeversorgung benutzten Anlagen m glich Zus tzlich zu dem BACnet Protokoll ist die OPC Schnittstelle ein wichtiger Faktor den man im Geb
3. Dieser Rechner steuert zum einen die Anlagen die zum gr ten Teil zu Forschungs und Entwicklungszwecken im Geb ude stehen und die von der Geb udeleittechnik ge steuerten Anlagen ohne jedoch dabei Zugriff auf die sicherheitsrelevanten Anlagen zu haben Der bergeordnete Leitrechner muss der allgemeinen Geb udeleittechnik dienen Dieser steuert die Anlagen die f r Heizung und L ftung vorgesehen sind und die Anlagen die f r die prim re Energieversorgung bereit stehen also das Blockheizkraftwerk und die W rmepumpe Hinzukommen die sicherheitsrelevanten Anlagen zum Beispiel die f r den Brandschutz ben tigten Brandschutzklappen Zur besseren bersicht folgen im Anschluss die Tabellen 2 1 und 2 2 die zeigen welche Schreibrechte f r die festgelegten Sensoren und Aktoren auf dem Rechner der Forschungsanlagen und dem Geb udeleitrechner erfor derlich sind Zus tzlich zu den Schreibrechten aus der Anforderungsmatrix m ssen auch die 2 Anforderungen und Problemstellung 32 anlagenspezifischen Stellgr en ver nderbar sein um St rungen bei Forschungsaufgaben auszuschlie en Eine weitere Anforderung an das System ist der dezentrale Ansatz ohne dass eine ber geordnete Regelung in der Managementebene ben tigt wird Die dezentralen Intelligenzen die jeweils eine Anlage steuern m ssen in der Automatisierungsebene sitzen damit sie Informationen ber die weiteren Anlagen erhalten und mit den Steuerungseinheiten kom munizieren u
4. gung stellt Ein Protokolltyp der h ufig in der Automa tisierung Anwendung findet ist wie in der Managementebene das BACnet Protokoll da hierdurch eine gute Anbindung an diese Ebene m glich ist Aber wie auch schon in der Managementebene angedeutet stehen hier mehrere Kommunikationsprotokolle auf dem Markt zur Verf gung Es ist auch denkbar dass die Automatisierungsebene der Forschungsanlagen getrennt von der Geb udeversorgung stattfindet Dennoch muss eine Verbindung zur Automatisierungs ebene der Geb udeleittechnik hergestellt werden um die Anlagen in der Geb udeversor gung f r Forschungszwecke zu steuern Dabei kann ein Protokoll verwendet werden dass unabh ngig von der Geb udeversorgung mit den Anlagen kommuniziert Es muss hierbei 3 Technische Analyse 52 allerdings gew hrleistet sein dass die entsprechende Schnittstelle eine bersetzung in das jeweilige Anlagenprotokoll bernimmt In der Managementebene wird bereits ein System mit dem BACnet Protokoll priorisiert deshalb ist ein Einsatz in der Automatisierungsebene ebenfalls ratsam doch nicht unbedingt Pflicht Weil die Geb udeversorgung mit dem BACnet Protokoll in der Automatisierungs ebene ausgestattet wird und keine Trennung der Forschungsanlagen von den Geb ude versorgungsanlagen stattfindet ist ein Einsatz von BACnet in der Automatisierungsebene unausweichlich Es kommt bei zwei unterschiedlichen Protokollen in der Automatisierungs ebene zu Problemen in d
5. m ssen optimale Zeitpunkte f r die Speicherinter valle gesetzt werden Diese erfassten Daten k nnen ber Matlab Simulink bernommen und ausgewertet werden Auch Insitu Messungen Messung vor Ort sind ein Mittel um das System weiter zu optimie ren Dabei werden in das System Messger te direkt an der Quelle eingesetzt Zum Beispiel wird bei einer Solarthermischen Anlage eine Messung direkt an den Kollektoren stattfinden und zum Vergleich der tats chliche Volumenstrom zum Speicher gemessen Diese Daten k nnen dann miteinander verglichen und ausgewertet werden 3 5 2 Modellerstellung Im Vorfeld der Implementierung k nnen Simulationen durchgef hrt werden Allerdings fehlen hierf r die Simulationsmodelle die sehr aufwendig zu erstellen sind Zur Zeit der Bearbeitung meiner Bachelorarbeit gab es ein Modell f r das Blockheizkraftwerk das allerdings nicht als Modell f r eine Simulation dient weil es sich um ein physikalisches Modell handelt Aus diesem Grund ist ein einfaches Batteriemodell f r eine Simulation in den Fokus ger ckt Dieses kann ber das Client Server Verhalten mit einer OPC Verbindung getestet werden Entweder man verbindet zwei Rechner miteinander und testet damit das Client Server Ver halten Oder man benutzt zwei Matlab Instanzen auf einem Rechner Ich habe mich dabei f r die zweite Variante entschieden da ich dies im Zuge meiner Bachelorarbeit Zuhause tes ten konnte Ben tigt werden daf r ein Rechner mit zwei
6. well 10 Desigo Mansgementstiamion PXM20 E PXM40 50 W Deuige Touch Panel Web Clien deep JA E e BACnevip A wen Desigo TRA ER Eihomet PXC3ET TX VO ESCH GT zg a Ez PXC50 100 200 E D A0 u Modular Module PXG3 W100 FINN 3 TREIE DALI j OMX7 E3B Touch se e Dsg a Rambo mmm B PTM VO Orit 205 5 O zum m Monte Integration cr E ETS omx3 ESU Aaorzs GAMMA Taster Resrmboden Raum Pr senzrmeider etc geran Kroer LONWORKS KNX S Mode EIB oder Bus ez mess 2 7 Fer m eg 9 TB F A f ll We SS o GE RXM21 39 1 Lonwoaks Desigo RXC RXI 7 Caen Seege SE e EN E Fenn LO Beer Abbildung 3 3 Typischer Aufbau des Geb udeautomatisierungssystems Desigo der Firma Siemens 24 3 Technische Analyse 48 3 1 Abgrenzung der Forschungsanlagen Das Problem der Abgrenzung von Forschungsanlagen von der Geb udeversorgung muss gekl rt werden da sonst eine Steuerung der Forschungsanlagen nur ber den Leitrechner m glich ist Zus tzlich befinden sich Anlagen in der Geb udeversorgung die f r Forschungs aufgaben ben tigt werden Wie ist eine Abgrenzung m glich dazu folgen nun verschiedene Ans tze Ein Ansatz ist dabei die Implementierung eines Forschungsrechners der f r die Rege lungen der Forschungsanlagen zust ndig ist Da Geb udeversorgungsanlagen f r For schungsarbeiten ben tigt werden ist zus tzlich f r die Anbindung der ben tigten Anlagen Sorge zu tragen Bei dieser Anbindung haben zwei Rechne
7. Matlab Instanzen und jeweils einer OPC Schnittstelle Die beiden Matlab Instanzen m ssen miteinander ber das Client Server Prinzip der OPC Verbindung kommunizieren In der ersten Matlab Instanz l uft dabei das Modell einer Anlage in unseren Fall dass Modell einer Batterie Die Abbildung 5 1 zeigt die ses Batteriemodell An dieses Modell der Batterie wird nun ein Server der Daten an das Modell schickt und ein Client der die Daten vom Model liest angeschlossen Dies ist in der Abbildung 5 2 zusehen 5 Implementierung 63 100 1 u 1 100 Abbildung 5 1 Batteriemodell OPC Config Real Time OPC Configuration OPC Write Sync Buoket Real8 OPC Read Cache Bucket de Int4 Read Modell Write Modell Abbildung 5 2 Batteriemodell mit OPC Anbindung 5 Implementierung 64 Die gelesenen Daten kommen dabei von der zweiten Matlab Instanz die eine Steuerung simuliert dies ist in Abbildung 5 3 verdeutlicht Im Steuerungsmodell werden ebenfalls ein Server und ein Client wie in der Abbildung 5 4 angeschlossen Dabei kommen die Leseda ten vom Server der ersten Matlab Instanz Die Daten die aus der zweiten Matlab Instanz auf den Server geschrieben werden werden an den Client der ersten Matlab Instanz gesendet Logical Gr er Ladestrom 1 Ge Lademaximum 30 Gleich Operator Abbildung 5 3 Steuerung der Batterieladung OPC Config Real Time OPC Configuration OPC Write Async out_LSS Buc
8. Test und Bewertung Uupo SNEBBSZIEH 5 5 SUYO EEE sap Bundosss Sp MM SPUIA sap Busrees ap Leben Abbildung 6 7 Flussdiagramm Versorgung 6 Test und Bewertung 77 6 2 5 Szenariotests Als n chstes werden alle Szenarien die in der Anforderungsanalyse 2 2 2 laut der folgenden Tests abgespielt und gegebenenfalls erfolgreich abgeschlossen Wenn nicht dann m ssen die jeweiligen fehlgeschlagenen Tests mit Nachbesserungen erneut abgearbeitet werden Die Auflistung der Szenariotests findet im Einzelnen statt und befinden sich deshalb im An hang A 1 Zudem sind durch die Ben tigung nur eines K ltespeichers 3 Szenarien im Laufe der Planung weggefallen Diese sind Szenario 17 18 und 19 diesbez glich befinden sich keine Szenarientests im Anhang 6 3 Bewertung der Tests Um gewisse vorhersagen zu treffen muss das System vorher mit Modellen simuliert wer den Diese Simulationen geben Aufschluss dar ber ob Anforderungen des Systems an den Anlagen umgesetzt werden k nnen Das Batteriemodell in diesem Kapitel zeigt dass ei ne Implementierung der Batterie im Zusammenspiel mit den anderen Anlagen im Geb ude machbar ist Allerdings muss dies auf die weiteren Anlagen im Geb ude bertragen werden damit eine Kommunikation der Anlagen untereinander gew hrleistet wird Die erhaltenen Ergebnisse aus den Tests k nnen nun genutzt werden um weitere Model le anzulegen und diese in das System zu integrieren Dabei m ssen ebenfalls Abfr
9. bertragungstechnik allein nicht ausreichend um eine fehlerfreie Kommunikation zu erm glichen Ein Kommunikati onssystem muss neben bertragungstechnischen Funktionen eine au erordentlich gro e Vielfalt weiterer Kommunikationsfunktionen bereitstellen und es wird ein Satz von ver bindlichen Regeln ben tigt nach denen die Kommunikation ablaufen muss Ein solches Regelwerk nennt man auch Protokoll Ein Protokoll ist ein Satz von Regeln nach denen die Kommunikation zwischen zwei Kommunikationspartnern ablaufen muss 1 Einf hrung 20 In einem Protokoll m ssen z B folgende Dinge festgelegt sein Wer darf wann auf das bertragungsmedium zugreifen Wie werden Fehler bei der Daten bertragung entdeckt und was geschieht wenn ein Fehler entdeckt wurde Was geschieht wenn ein Empf nger mehr Daten erh lt als er zurzeit verarbeiten kann Wie gelangen Datentelegramme an die richtigen Empf nger 27 1 8 Netzwerkprotokolle Es gibt eine Vielzahl von Anbietern f r Protokolle in der Geb udeautomatisierungstech nik Diese alle aufzuf hren w rde den Rahmen dieser Bachelorarbeit sprengen deshalb wird in der Arbeit nur auf die drei standardisierten Protokolle n her eingegangen F r die Management und Automatisierungsebene wird das BACnet Protokoll und f r die Feldebe ne LonWorks und KNX n her erl utert Zus tzlich wird die OPC Verbindung betrachtet da diese Verbindungsart eine wichtige Rolle in meiner Bachelorarbeit
10. dabei die Leistung der Photovoltaikanlage auf dem Dach Das Blockheizkraftwerk besitzt ebenfalls eine Leistungskurve die darunter folgt Die n chsten beiden Kurven zeigen die Ad dition der beiden Kurven und die prognostizierte Tageslastkurve Die vierte Kurve beinhaltet die Subtraktion der addierten Leistungskurven mit der Tageslastkurve Das Resultat zu wel chen Zeitpunkten die Batterie geladen werden kann ist im untersten Diagramm zusehen Abbildung 6 1 a Leistung Solaranlage b Leistung Blockheizkraftwerk c Addition von bei den Leistungen d Tageslastprofil e Addierte Leistung minus Tageslastprofil f Batterienutzungsintervalle 6 Test und Bewertung 69 6 1 2 Leistungsbegrenzung Eine weitere Sicherheitsabfrage ist die Leistungsbegrenzung der Batterie Damit in dieser Abfrage deutlich gemacht werden kann ob eine Ladung stattfindet habe ich die Parame ter f r diesen Test angepasst Damit will ich testen ob die Batterie trotz einer geringeren Leistung von 2 5kW geladen wird Um dies zu erreichen setze ich die Stromproduktion des Blockheizkraftwerks auf 10kW herab Mit dieser nderung sollte bei einer Unterschreitung der Leistung von 2 5kW keine Ladung der Batterie stattfinden In der Abbildung 6 2 ist dies verdeutlicht Abbildung 6 2 Simulationsergebnis Leistungsbeschr nkung a Minimale Leistung von 2 5kW b Leistungskurve berschuss c Ladez
11. die Wasservorlauftem peratur der Wasser Massenstrom der Zeitpunkt und die Dauer der Heiz bzw K hlzyklen und die Umschaltbedingungen Die Umschaltbedingungen w ren Wetterdaten Jahreszei ten Raumtemperaturen Nutzungszeiten und die Wasserr cklauftemperatur Die Betonker naktivierung im Energie Campus Hamburg wird in der Deckenplatte zwischen den beiden vorgesehenen Etagen realisiert die Montagehalle wird dabei ausgespart 3 2 1 3 K ltemaschine F r die Geb udek hlung ist die K ltemaschine ein wichtiger Faktor im kompakten K hlsys tem Die K ltemaschine ist keine autarke Anlage sondern ein wichtiger Bestandteil im Heiz und K hlkreislauf Sie ist im K ltemittelkreislauf integriert um dem Geb ude bei Bedarf die 2 Anforderungen und Problemstellung 25 W rme zu entziehen und diese dann an die Umgebung abzugeben Der Ablauf eines Kaltluft Kompressionsk ltemaschinen Prozesses mit einem elektrisch betriebenen Kompressor be ginnt mit der W rmeabgabe aus dem zu k hlenden Raum dies geschieht ber einen W r metauscher Die aufgenommene W rme wird dann ber den Kompressor verdichtet es wird ein h heres Druckniveau erreicht Durch den h heren Druck steigt die Temperatur des hier bereits gasf rmigen K ltemittels Der n chste Schritt ist das Abk hlen und das Verfl ssigen Dabei wird ein Kondensator benutzt der die W rme an die Au enluft abgibt Die W rme kann schlie lich durch W rmer ckgewinnungsbestandtei
12. dt Speicher 4 und 5 in Reihe Test 9 Ist das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Test 10 Ist das Ventil 11 und 8 f r die Reihenbeladung von Speicher 4 und 5 ge ffnet Test 11 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur des Speichers 5 gestoppt Test 12 Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur des Speichers 5 freigegeben W rmezufuhr durch W rmepumpe W rmezufuhr durch BHKW o Abbildung A 6 hydraulische Verschaltung des Szenarios 6 A Hilfsmittel 91 Szenariotest 7 Wie in der Abbildung A 7 zusehen ist werden im Szenario 7 mit Hilfe der W rmepumpe oder des Blockheizkraftwerks die Speicher 4 6 in Reihe beladen Test 1 Ist die W rmepumpe und das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Test 2 Sind die Ventile 36 55 12 und 8 f r die Reihenbeladung von Speicher 4 5 und 6 ge ffnet Test 3 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur des Speichers 6 gestoppt Test 4 Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur des Speichers 6 freigegeben N W rmezufuhr durch W rmepumpe O X amp 1 55 i Abbildung A 7 hydraulische Verschaltung des Szenarios 7 CO N Vorlauf R cklauf A Hilfsmittel 92 Szenariotest 8 Wie in der Abbildung A 8 zusehen ist wird im Szenario 8 mit Hilfe der W rmepumpe der Vorlauf des Heizkreises direkt beliefert Es befindet sich kei
13. eine Schnittstelle erfolgen um den Zugriff zu koordinieren bzw zu priorisieren Die Resetfunktion sollte nicht nur automatisch erfolgen sondern auch manuell im System bet tigt werden k nnen Dies w re von N ten wenn ein Benutzer einen falschen Wert eingibt dies bemerkt und alle Anlagen in den Ausgangszustand zur ckversetzen will Um im Forschungs und Entwicklungsgeb ude neue Wege in der Anlagenkommunikation zu entwickeln bzw zu testen sollte von der Managementebene in die Automatisierungsebene eine gewisse Protokollunabh ngigkeit f r den Rechner der Forschungsanlagen herrschen Zur Erl uterung der nachfolgenden Tabellen ist zu sagen dass sie sich in drei Spalten aufteilen Anlage Steuerbauteil und allgemeine Geb udeversorgung bzw Forschungsar beiten die in Muss Soll und Optional untergliedert sind In Spalte Anlage befinden sich all die Anlagen die im Energie Campus Hamburg eine Anbindung an den Leitrechner erfordern Die Spalte Steuerbauteil soll zur Auflistung der einzelnen Sensoren und Aktoren sowie dem Zugang und die separate Ansteuerung dienen Die untergliederten Spalten der allgemeinen Geb udeversorgung bzw Forschungsaufgaben zeigen die Anforderungen die der Leitrechner ben tigt Zum einen setzen einige Anforderungen eine absolute Not wendigkeit voraus um gewisse Systemeigenschaften sicherzustellen Diese sind deshalb in die Gruppe Muss einzugliedern Die Anforderungen die ben tigt ab
14. geschaffen in der ein Forschen und Entwickeln an den verf gbaren Anlagen erm glicht wird Ein wichtiger Punkt ist dabei nach neuen Wegen zur Speicherung von Energie zu suchen Daf r werden Anlagen f r eine Elektrolyse und eine Methanisierung beschafft damit das Speichern der elektrischen Ener gie ber die Umwandlung in Gas m glich ist Zudem wird eine Batterie als Stromspeicher zur Verf gung stehen Au erdem ist eine Ladestation f r Elektrofahrzeuge geplant um den produzierten Strom zu nutzen Zur Stromproduktion kommen ein Blockheizkraftwerk und eine sp ter installierte Photovoltaikanlage auf dem Dach zum Einsatz Zudem ist die Anbindung von drei Windkraftanlagen im Einzugsgebiet geplant dieser produzierte Strom wird allerdings direkt ins Netz eingespeist Aus Forschungszwecken ist eine Verbindung mit dem Windlabor im Energie Campus Hamburg geplant F r die W rmebereitstellung ist ebenfalls das Blockheizkraftwerk zudem die reversible W rmepumpe und die W rmespei cher mit integrierten Heizst ben wovon zwei Latentw rmespeicher zur Verf gung stehen verantwortlich F r die Verteilung der W rme bzw K lte stehen Heizfl chen und eine Be tonkernaktivierung in der Decke bereit Die K lteversorgung bernimmt dabei die reversible W rmepumpe die K ltemaschine und ein K ltespeicher Die L ftung im Geb ude wird ber die L ftungsanlage gesteuert 7 Zusammenfassung und Ausblick 79 Damit diese Anlagen im Energie Ca
15. habe W rtlich oder dem Sinn nach aus anderen Werken entnommene Stellen habe ich unter Angabe der Quellen kenntlich gemacht Hamburg 26 Januar 2014 Ort Datum Unterschrift
16. hlt wurden 56 4 Entwurf EN G pHO zi obejue ams yarypu m puumpe unpugsp A DUDA p p m n J3UYIOY Jona O IDEEN EN LINZ A 09 ZH ZH Bunsars ash y yeq UEN oa J9ynods n 3 as J9UYIOY outen TG Kid IdO Dun O Gell a Abbildung 4 1 Schemata Geb udeleittechnik 4 Entwurf 57 4 1 Entwurf der Managementebene Da das System f r Entwicklungs und Forschungsarbeiten im Geb ude genutzt werden soll m ssen bestimmte Bedingungen an die Betriebsstabilit t erf llt werden Dabei muss vor allem in der Managementebene betrachtet werden wie die Rechner in dieser Ebene mitein ander kommunizieren damit eine Trennung der Steuerung von den Geb udeversorgungsan lagen und Forschungsanlagen stattfindet Welches System ist f r die Kommunikation in der Managementebene geeignet ohne dass dabei der Forschungsrechner ohne Einschr nkun gen im System arbeiten kann aber dennoch Zugriff auf die f r ihn wichtigen Regelungen hat Das in Kapitel 3 3 vorgestellte Konzept einer dezentralen Managementebene ist nicht umsetzbar da hierbei keine Betriebssicherheit gew hrleistet werden konnte Die Regelun gen m ssen ber einen Server genauer einen Leitrechner an die Automatisierungsebene weitergegeben werden Die Umsetzung ist dabei vom Hersteller abh ngig Der Vorteil eines Servers als Datenspeicher ist das verschiedene Rechner auf diese Daten zugreifen k nnen Sowohl der Leitrechner als auch ein beliebiger Rechner d
17. k nnte dann ber eine OPC Schnittstelle erfolgen In der Automatisierungsebene wird das BACnet Protokoll eingesetzt da es hierf r durch seine Interoperabilit t und hersteller bergreifenden Programmierung am besten geeignet ist und zudem Stand der Technik ist F r die Feldebene in der sich die Sensoren und Aktoren befinden ist keine spezielle Protokollvorgabe erforderlich da diese Sensoren bzw Aktoren zu Gruppen zusammengefasst werden und ber Controller in der Automatisierungsebene angesteuert bzw berwacht werden Eine weitere Anforderung ist die Absicherung des Systems sodass eine Bereichs ber schreitung an den Controllern oder bei einer Fehlbedienung in der Managementebene abgefangen wird Es m ssen mehrere Bereiche eingeplant werden damit nicht nur eine Implementierung f r die sicherheitsrelevanten Bereiche erfolgt Diese Bereiche k nnen in bestimmte Sicherheitsgruppen eingeteilt werden damit eine Abstufung der Regelungen bei einer Bereichs berschreitung m glich ist Die Implementierung dieser Bereiche findet in den Controllern statt damit eine Anlagennahe Regelung stattfindet Zus tzlich sollten auch Regelungen im System stattfinden diese k nnen ebenfalls auf den Controllern implemen tiert werden Zudem kann eine Implementierung dieser komplexen Regelungen auf dem Server bzw Leitrechner in der Managementebene erfolgen da an dieser Stelle alle Daten die ben tigt werden gesammelt und ausgewertet werden Eine m gliche Funk
18. oder direkt am Leitrechner gespeichert werden 3 2 Kommunikation in der Managementebene Die M glichkeit der Kommunikation in der Managementebene kann ber die im Folgenden erl uterten Kommunikationsprotokolle stattfinden Ein Standard f r die Geb udeautomati sierung in der Managementebene ist durch das BACnet Protokoll gegeben Dieses Protokoll wird in den Geb uden der Hochschule f r angewandte Wissenschaften in Hamburg als Standard eingesetzt Es ist f r die Kommunikation zwischen Managementebene und Auto matisierungsebene zust ndig Dadurch ist die Steuerung und Visualisierung des Systems ber einen Leitrechner m glich Um nicht nur von einem Protokoll abh ngig zu sein sollten mehrere Alternativen zur Verf gung stehen Eine wichtige Rolle k nnte dabei die OPC Schnittstelle spielen welche einen Server ben tigt der die verschiedenen Protokolle aus der Automatisierungsebene bersetzt und sie f r den Client auf Anfrage zur Verf gung stellt Dieser Client ist dann f r die Visualisierung zu st ndig Das oben genannte Protokoll ist deshalb so wichtig da mit dieser Schnittstelle ber Matlab Simulink eine Regelung umgesetzt werden kann Auch nachdem das System bereits eingefahren ist kann ber die Justierung von Parametern ein Prozess angepasst werden Auch eine Umsetzung von Kontrollfragen ber Matlab Simulink ist m glich Ist zum Beispiel ein Wert au erhalb eines Bereiches k nnte ein R ckfallprozedere eingeleitet werden
19. udeautomatisierungssystem f r den Energie Campus Hamburg nicht vernach l ssigen sollte Mit OPC kann zus tzlich zur Kommunikation eine Erstellung von Modellen von Anlagen ber Matlab Simulink erfolgen Dadurch ist eine Integration in das Geb ude automatisierungssystem m glich Somit kann eine Anlage im Vorfeld getestet werden ohne diese Anlage bereits gekauft zu haben Dieses Protokoll ist ebenfalls empfehlenswert da es wichtige Anforderungen an das System erf llt Der Einsatz zus tzlicher Protokolle ist nicht ratsam Es m sste eine h here Anzahl an Datenpunkten zur Verf gung stehen damit eine Integration weiterer Protokolle m glich ist Diese Datenpunkte werden bei den namhaften Geb udeautomatisierungsunternehmen im Paket gekauft f r den Energie Campus Hamburg ist der Kauf von 3000 Datenpunkte geplant Eine Erweiterung der Datenpunkte erfolgt ebenfalls im Paket sodass weitere 3000 Datenpunkte erworben werden m ssten Diese Alternative b rgt ein hohes Kostenrisiko deshalb ist davon abzuraten weitere Protokolle in das System zu integrieren Die Konzepte der Anbieter f r Geb udeautomationssysteme bieten zudem die ben tigten Protokolle BACnet und die OPC Schnittstelle f r den Energie Campus Hamburg an Somit ist f r eine reibungslose und kosteng nstige Kommunikation in der Managementebene gesorgt 3 3 dezentrale oder zentrale Steuerung Die Bedienung der Anlagen im Energie Campus Hamburg kann ber e
20. verbrauchte Strom ber den Tag im Mittel ber den Monat oder das Jahr aufgenommen und als Grafik visualisiert wird Anschlie end ben tigt das System zus tzliche Angaben ber die aktuelle berlast der Stromproduktion Diese wird aus den aktuellen Kurven der stromproduzierenden Anlagen zur Verf gung gestellt Diese Kurven werden addiert und schlie lich muss eine Subtraktion der Tageslastkurve folgen Dabei entsteht ein Profil welches nur die berkapazit ten auf zeigt Wird diese berlast nicht von anderen priorisierten Anlagen im Geb ude genutzt ist in den Bereichen der berkapazit t eine Ladung der Batterie m glich Eine zus tzliche Abfrage k nnte wie folgt lauten Wieviel minimale Leistung muss zur Ver f gung stehen damit die Batterie geladen wird Das hei t die Batterie wird zus tzlich zu der Abfrage der berlast erst mit der Ladung beginnen sobald die berlast eine bestimmte Leistung berschreitet Damit ist eine Schonung und somit eine h here Lebensdauer der Batterie m glich Eine weitere Abfrage w re ebenfalls denkbar indem man festlegt dass die Batterie nur bis zu einen bestimmten Bereich l dt und die berkapazit t dann wieder anderweitig benutzt werden kann Mit der Begrenzung des Ladezustandes ist es ebenfalls m glich die Lebens dauer der Batterie zu erh hen Zus tzlich ist damit eine Sicherheit gegen berhitzung der Batterie gegeben 2 3 2 Beispiel f r den Heiz und K hlkreislauf Als Beispi
21. 0 51 und 55 f r den parallelen Beladevorgang von Speicher 2 3 und 6 ge ffnet Test 3 Sind die Ventile 55 12 und 8 f r die Reihenbeladung von Speicher 4 5 und 6 ge ffnet Test 4 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur jedes einzelnen Speichers von 2 3 und 6 gestoppt Test 5 Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur jedes einzelnen Speichers von 2 3 und 6 freigegeben W rmezufuhr durch O Temperatursensor Abbildung A 3 hydraulische Verschaltung des Szenarios 3 A Hilfsmittel 87 Szenariotest 4 Wie in der Abbildung A 4 zusehen ist werden im Szenario 4 mit Hilfe der W rmepumpe die Speicher 4 6 in Reihe und Speicher 2 und 3 parallel beladen Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 Test 5 W rmezufuhr durch W rmepumpe O Vorlauf R cklauf Ist die W rmepumpe bereit zum Beladen Sind die Ventile 36 2 und 4 f r den parallelen Beladevorgang von Speicher 2 3 und 6 ge ffnet Sind die Ventile 36 12 und 8 f r die Reihenbeladung von Speicher 4 5 und 6 ge ffnet Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur jedes einzelnen Speichers von 2 3 und 6 gestoppt Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur jedes einzelnen Speichers von 2 3 und 6 freigegeben NZ N 1 Sta 2 4 E Abbildung A A hydraulische Verschaltung des Szenarios 4 K Wa Ki ZX E ZX Sp
22. 4 A Hilfsmittel 88 Szenariotest 5 Wie in der Abbildung A 5 zusehen ist wird im Szenario 5 mit Hilfe der W rmepumpe der Speicher 4 beladen w hrend das Blockheizkraftwerk Speicher 5 und 6 a parallel oder hier gestrichelt dargestellt b in Reihe bel dt Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 Ist die W rmepumpe bereit zum Beladen Ist das Ventil 53 f r den Beladevorgang von Speicher 4 ge ffnet Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur des Speichers 4 gestoppt Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur des Speichers 4 freigegeben a Blockheizkraftwerk bel dt Speicher 5 und 6 parallel Test 5 Test 6 Test 7 Test 8 Ist das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Ist das Ventil 54 und 55 f r den parallelen Beladevorgang von Speicher 5 und 6 ge ffnet Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur jedes einzelnen Speichers von 5 und 6 gestoppt Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur jedes einzelnen Speichers von 5 und 6 freigegeben b Blockheizkraftwerk bel dt Speicher 5 und 6 in Reihe Test 9 Test 10 Test 11 Test 12 Ist das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Ist das Ventil 55 und 12 f r die Reihenbeladung von Speicher 5 und 6 ge ffnet Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur des Speichers 6 gestoppt Wird der Vorlauf zum Heizsystem nac
23. AE entwickelt Es ist seit 1995 ein standardisiertes Kommunikationsprotokoll in der Geb udeautomatisierung und seit 2003 sogar laut DIN EN ISO 16484 5 genormt Das Protokoll ist deshalb genormt weil es sich durch Interoperabilit t auszeichnet und her steller bergreifend arbeitet und somit verschiedenste Anlagen in die Geb udeautomatisie rung integrieren kann Mit Interoperabilit t ist die gleiche Funktionalit t bei unterschiedlicher Software und Hardware gew hrleistet Zudem ist BACnet geeignet f r Systeme mit gro en r umlichen Ausdehnungen sowie f r Systeme mit mehreren Bedienstationen Ein weiterer Vorteil ist die objektorientierte Struktur darunter versteht man dass BACnet Datenpunk te wie Eing nge oder Ausg nge erfasst und diese als Objekte abspeichert somit sind sie leichter einer Anlage zuzuordnen Dabei beschreibt das Protokoll die Eigenschaften und Zu st nde von den Elementen der Geb udeautomatisierung Dieses Protokoll ist zudem lizenzfrei zu erwerben und verbessert somit den Kostensenkungs faktor f r ein Geb udeautomatisierungssystem Daraus folgt dass das BACnet Protokoll f r die Managementebene sowie f r die Automatisierungsebene geeignet ist 19 1 Einf hrung 22 1 8 4 OPC OPC steht f r OLE Object Linking and Embedding for Process Control oder auch Objekt Verkn pfungen und Einbettungen f r die Prozess Kontrolle OPC ist eine einheitliche Soft wareschnittstelle f r die Automatisierungstec
24. Abbildung 2 1 Entwurf der hydraulische Verschaltung des Heiz und K hlkreislaufes C4DSI 2 Anforderungen und Problemstellung 40 Die Anforderungen an den Heiz und K hlkreislauf haben die h chstm gliche Flexibilit t als Ziel Demzufolge ergeben sich 24 Szenarien aus denen die Anforderungen an das System herauszulesen sind Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 Szenario 4 Szenario 5 Szenario 6 Szenario 7 Szenario 8 Szenario 9 Szenario 10 u 11 Szenario 12 u 13 Szenario 14 Szenario 15 Szenario 16 Szenario 17 Szenario 18 Das Blockheizkraftwerk kann Speicher 2 6 parallel beladen Die W rmepumpe kann Speicher 2 6 parallel beladen Au erdem muss das Blockheizkraftwerk die Speicher 4 6 in Reihe und Speicher 2 3 parallel beladen k nnen Das Gleiche gilt auch f r die W rmepumpe sie muss die Speicher 4 6 in Reihe und Speicher 2 3 parallel beladen k nnen Ein weiteres Szenario beschreibt dass w hrend die W rmepumpe Speicher 4 bel dt das Blockheizkraftwerk Speicher 5 6 parallel oder in Reihe bel dt W hrend das Blockheizkraftwerk Speicher 6 bel dt kann die W rme pumpe Speicher 4 5 parallel oder in Reihe beladen Das Blockheizkraftwerk und die W rmepumpe beladen die Speicher 4 6 in Reihe Die W rmepumpe kann ohne Speicherbenutzung den Heizkreislauf mit W rme versorgen Dabei gilt das Gleiche f r das Blockheizkraftwerk hier muss der Heiz kreislauf auch ohne Speicher m
25. CM Speicher sind Ein PCM Speicher ist ein Latentw rmespeicher der thermische Energie verlustarm ber einen l ngeren Zeitraum und mehreren Wiederholzyklen speichern kann Zu den zwei PCM Speichern kommen drei f r die W rmeversorgung und ein Speicher f r die K ltever sorgung zum Einsatz Im folgenden Funktionsplan befindet sich neben den Anlagen und Speichern die Hydraulik zwischen den Anlagen mit den jeweiligen Ventilen zur benutzerde finierten oder automatisierten Steuerung des Systems Zun chst folgt der Entwurf der hydraulischen Schaltung des Heiz und K hlkreislaufes Der K hlkreislauf besteht aus der K ltemaschine der reversiblen W rmepumpe bzw Um w lzpumpe und dem K ltespeicher Der K ltekreislauf sollte f r eine Temperatur von 12 C ausgelegt sein Der Heizkreislauf besteht aus dem Blockheizkraftwerk der W rmepumpe und f nf W rmespeichern wovon zwei PCM Speicher vorgesehen sind im Entwurf 2 1 als SP2 und SP3 gekennzeichnet Der Heizkreislauf sollte f r eine Temperatur von 40 C bis 60 C ausgelegt sein Die Zweiwegeventile im Entwurf sind automatisch verstellbar und die Dreiwegeventile sind je nach Weg einzeln automatisch verstellbar 2 Anforderungen und Problemstellung 39 Heizkreis k nnte e f r 40 C bis 60 C kreis ausgelegt werden dh Legends A 3 CN ES CN 4 4 K ltekreis k nnte f r 12 C ausgelegt lter werden I kreis een mr T zm em E i I SH zem mm BHKW
26. E N FR 42 O ec e Sa 30 K ltezufuhr durch NX __ _ l K ltemaschine K ltezufuhr durch rev W rmepumpe Abbildung A 16 hydraulische Verschaltung des Szenarios 16 Vorlauf Ruck len A Hilfsmittel 100 Szenariotest 20 Wie in der Abbildung A 17 zusehen ist wird im Szenario 16 mit Hilfe der Umw lzpumpe der K ltespeicher 1 mit K lte beladen Test 1 Ist die Umw lzpumpe bereit zum Beladen Test 2 Sind die Ventile 30 und 42 f r den Beladevorgang von Speicher 1 ge ffnet Test 3 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der unteren Speichertemperatur vom Speicher 1 gestoppt Test 4 Wird der Vorlauf zum K hlsystem nach Erreichen der unteren Speicher temperatur des Speichers 1 freigegeben Vorlauf R cklauf Temperatursensor K ltezufuhr durch Umw lzpumpe Abbildung A 17 hydraulische Verschaltung des Szenarios 20 A Hilfsmittel 101 Szenariotest 21 Wie in der Abbildung A 18 zusehen ist wird im Szenario 21 mit Hilfe der reversiblen W r mepumpe der Vorlauf des K hlkreises direkt beliefert Es befindet sich kein Speicher dazwi schen Test 1 Ist die reversible W rmepumpe bereit f r die Belieferung des Vorlaufs mit K lte Test 2 Sind die Ventile 30 und 42 f r die direkte Belieferung des Vorlaufs mit K lte ge ffnet Vorlauf R cklauf O Temperatursensor K ltezufuhr durch rev W rmepumpe Abbildung A 18 hydraulische Verschaltung des Szenarios 21 A
27. ERMKE Dr M Hrsg Das Fremdw rterbuch Duden 1997 ISBN 3411040564 7 GOOSSENS Michel MITTELBACH Frank SAMARIN Alexander Der BIFX Begleiter Addison Wesley 2000 ISBN 3827316898 8 G NTHER Karsten Dirk GE PACKT mitp 2002 ISBN 3826607856 9 H LLER Stefan K TER Uwe VOIGT Cornelia Brennstoffzellen im Unterricht Grund lagen Experimente Arbeitsbl tter Hydrogeit 2007 ISBN 3937863095 10 HONEYWELL Benutzerhandb cher f r Excel Web und Excel Web 2 Automationsstatio nen und Enterprise Buildings Integrator Honeywell Benutzerhandb cher 11 IwANITZ Frank LANGE J rgen OPC Grundlagen Implementierung und Anwendung H thig 2002 ISBN 3778528661 12 JoMAA Hichem Diplomarbeit Untersuchung zur Interoperabilit t unterschiedlicher OPC Clients und Server FH Hamburg 2000 13 KoHM Markus MORAWKSI Jens Uwe KOMA Script dante 2003 ISBN 3936427453 Literaturverzeichnis 83 14 KRAFTWERK Mephisto G16 G20 Handbuch Kraftwerk Benutzerhandbuch Relea se 12 2011 15 KRUSE Otto Keine Angst vor dem leeren Blatt campus concret 2000 ISBN 3593366592 16 KUROSE James F Ross Keith W Computernetze Pearson Studium 2002 ISBN 3827370175 17 LAMPORT Leslie Das DICK Handbuch Addison Wesley 1995 ISBN 3893198261 18 MATRIKON OPC in der Geb udeautomatisierung Matrikon Datenblatt 19 MERZ Hermann HANSEMANN Thomas H BNER Ch
28. Fakult t Technik und Informatik Department Informations und Elektrotechnik Hochschule f r Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Bachelorthesis Daniel Koppitz Konzeption einer betriebsstabilen und entwicklungsoffenen Schnittstelle f r die technische Geb udeausstattung eines Forschungsgeb udes Faculty of Engineering and Computer Science Department of Information and Electrical Engineering Daniel Koppitz Konzeption einer betriebsstabilen und entwicklungsoffenen Schnittstelle f r die technische Geb udeausstattung eines Forschungsgeb udes Bachelorthesis eingereicht im Rahmen der Bachelorpr fung im Studiengang Informations und Elektrotechnik am Department Informations und Elektrotechnik der Fakult t Technik und Informatik der Hochschule f r Angewandte Wissenschaften Hamburg Betreuender Pr fer Prof Dr rer nat Wolfgang Renz Zweitgutachter Dipl Ing Hans Sch fer Abgegeben am 27 01 2014 Daniel Koppitz Thema der Bachelorthesis Konzeption einer betriebsstabilen und entwicklungsoffenen Schnittstelle f r die tech nische Geb udeausstattung eines Forschungsgeb udes Stichworte Geb udeautomatisierung Netzwerkprotokoll entwicklungsoffene Schnittstellen Kurzzusammenfassung Diese Arbeit umfasst den Aufbau einer Kommunikationsstruktur f r die technischen Komponenten im Energie Campus Hamburg und den Aufbau von Schnittstellen zur Entwicklung die gegen eine Fe
29. HTTP und POP sind nur zwei Beispiele von vielen m glichen Protokollen in der Anwendungs schicht HTTP steht f r Hypertext Transfer Protocol Hypertext bertragungsprotokoll und dient zum Laden von Internetseiten in einem Internetbrowser POP steht f r Post Office Protocol Elektronische Post bertragungsprotokoll und beinhaltet das Abholen von Mails ber einen Client vom Server Die Transportschicht bleibt bestehen und besitzt das TCP Protokoll Transmission Control Protocol bertragungssteuerungsprotokoll dies sichert und steuert den Datenfluss Die Vermittlungsschicht wird zur Internetschicht in der sich das IP Protokoll Internet Protocol Internet Protokoll befindet und dessen Aufgabe die Adressierung und bertragung von Datenpaketen ist Die Sicherungsschicht und die Bit bertragungsschicht lassen sich in einer Netzzugangsschicht b ndeln Hier befindet sich zum Beispiel das Ethernet Protokoll dies beinhaltet die Festlegung f r Kabeltypen Stecker und bertragungsformen 27 1 7 Kanalzugriffsverfahren Jede Internetkommunikation basiert auf dem Client Server Verhalten vergleichbar mit dem Master Slave Mechanismus Die Verbindung wird ber eine Anfrage vom Client an den Ser ver aufgebaut Nur wenn der Server eine Anfrage mit den erforderlichen Dienstleistungen erh lt wird er aktiv Aus diesen Dienstleistungen entwickelt er nun eine Antwort f r den Client Auch bei Ger ten der Automatisierungstechnik ist die digitale
30. Hilfsmittel 102 Szenariotest 22 Wie in der Abbildung A 19 zusehen ist wird im Szenario 22 mit Hilfe der Umw lzpumpe der Vorlauf des K hlkreises direkt beliefert Es befindet sich kein Speicher dazwischen Test 1 Ist die Umw lzpumpe bereit f r die Belieferung des Vorlaufs mit K lte Test 2 Sind die Ventile 30 und 42 f r die direkte Belieferung des Vorlaufs mit K lte ge ffnet Vorlauf R cklauf O Temperatursensor K ltezufuhr durch Umw lzpumpe Abbildung A 19 hydraulische Verschaltung des Szenarios 22 A Hilfsmittel 103 Szenariotest 23 Wie in der Abbildung A 20 zusehen ist werden im Szenario 23 mit Hilfe der reversiblen W rmepumpe und optional mit der K ltemaschine der Speicher 1 mit K lte versorgt Das Blockheizkraftwerk beliefert zudem die Speicher 2 6 parallel mit W rme Test 1 Ist die reversible W rmepumpe und optional die K ltemaschine bereit zum Beladen Test 2 Sind die Ventile 30 und 42 f r den Beladevorgang von Speicher 1 ge ffnet Test 3 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der unteren Speichertemperatur vom Speicher 1 gestoppt Test 4 Wird der Vorlauf zum K hlsystem nach Erreichen der unteren Speicher temperatur des Speichers 1 freigegeben Test 5 Ist das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Test 6 Sind die Ventile 50 51 52 54 und 55 f r den parallelen Beladevorgang f r Speicher 2 6 ge ffnet Test 7 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur j
31. KNX Modbus BACnet sowie f r LonWorks 18 ber eine OPC Verbindung kann mittels Matlab eine Anlage bevor sie in das System inte griert wird getestet bzw beobachtet werden Dazu ist ein Modell in Matlab n tig welches mit einem OPC Client und OPC Server ausgestattet wird 2 Anforderungen und Problemstellung Um die Anforderungen aufzustellen m ssen zuerst die Anlagen vom Energie Campus Hamburg n her betrachtet werden Danach folgen die Bed rfnisse an die Geb udeautoma tisierung und insbesondere wird dabei auf die Automatisierung des Heiz und K hlsystems des Geb udes eingegangen Diese Forderungen werden zudem an Beispielen erl utert und die dabei auftretenden Probleme im Anschluss er rtert um aus diesen R ckschl sse an eine Technische Analyse aufzubauen 2 1 Anlagenportfolio Das Anlagenportfolio des Forschungsgeb udes umfasst die Sicherheitssysteme die L f tungsanlage und die Gewerke f r das Heiz und K hlsystem Dazu geh ren das Blockheiz kraftwerk welches mit der Photovoltaik zus tzlich f r die Stromversorgung des Geb udes eingesetzt wird Die reversible W rmepumpe wird nicht nur f r das Heizsystem eingesetzt sondern kann durch ihre besonderen Eigenschaften dem Geb ude auch W rme entziehen und findet somit seinen Platz im K hlsystem des Geb udes Sehr wichtig f r das Heiz und K hlsystem sind zudem die Speicher die das Heizwasser bei Bedarf speichern k nnen und zu gegebener Zeit bzw bei einer be
32. Speichers von 2 3 und 6 gestoppt Test 6 Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur jedes einzelnen Speichers von 2 3 und 6 freigegeben W rmezufuhr durch BHKW W rmezufuhr durch W rmepumpe Temperatursensor O D R7 EZ CH RA EK AS ZW ER IR 4 8 12 55 Sp2 Sp3 Sp4 Sp5 Sp6 ng I di R cklau Abbildung A 10 hydraulische Verschaltung des Szenarios 10 A Hilfsmittel 94 Szenariotest 11 Wie in der Abbildung A 11 zusehen ist wird im Szenario 11 mit Hilfe der W rmepumpe die PCM Speicher 2 und 3 parallel beladen w hrend das Blockheizkraftwerk Speicher 4 6 parallel bel dt Test 1 Ist die W rmepumpe bereit zum Beladen Test 2 Sind die Ventile 2 und 4 f r den parallelen Beladevorgang von Speicher 2 3 ge ffnet Test 3 Ist das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Test 4 Sind die Ventile 55 54 und 52 f r den parallelen Beladevorgang von Speicher 4 5 und 6 ge ffnet Test 5 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur jedes einzelnen Speichers gestoppt Test 6 Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur jedes einzelnen Speichers freigegeben W rmezufuhr durch BHKW W rmezufuhr durch W rmepumpe o x Se sw W N N ZX AN EN EN 2 4 55 i i R cklauf Abbildung A 11 hydraulische Verschaltung des Szenarios 11 A Hilfsmittel 95 Szenariotest 12 Wie in der Abbildung A 12 zusehen ist wird im Sz
33. agen implementiert werden die gewisse Einschr nkungen der Anlagen bewirken damit die Ge b udeversorgung priorisiert und ohne St rungen erfolgen kann Die Flussdiagramme f r den Testablauf des Heiz und K hlkreislauf geben Aufschluss dar ber ob die Anforderungen an das System umgesetzt wurden Dabei m ssen alle Bedingun gen und Szenarios getestet und erfolgreich abgeschlossen werden Falls dies nicht der Fall ist m ssen Nachbesserungen des installierten Systems die Folge sein damit ein Zusam menspiel aus Forschung und Lehre im Energie Campus Hamburg nichts im Wege steht 7 Zusammenfassung und Ausblick In diesem Kapitel wird das Fazit aus der Bachelorarbeit erstellt dabei werden die wesent lichen Aussagen und Ergebnisse zur Fragestellung der Arbeit zusammengefasst Zudem werden die Erfahrungen und Erkenntnisse aus dieser Arbeit gezogen um die Zusammen fassung abzuschlie en Der Ausblick in die Zukunft rundet und schlie t die Bachelorarbeit ab 7 1 Zusammenfassung In der Bachelorarbeit sollte das Konzept einer betriebsstabilen und entwicklungsoffenen Schnittstelle f r die technische Geb udeausstattung im Energie Campus Hamburg be arbeitet werden In dieser Konzeption sollte gekl rt werden ob es m glich ist in einer standardisierten Geb udeausstattung an den integrierten Anlagen zu forschen ohne das dabei die normale Geb udeversorgung beeintr chtigt wird Im Energie Campus Hamburg wird eine Umgebung
34. ation 67 6 1 1 borkapazit tskurve Ae ee Ser den dee 68 6 1 2 Leistungsbegrenzung e 69 8 18 kadezustand o oca 54 2 4 2 23 va sl an air 70 6 2 Tests f r den Heiz und K hlkreislauf 0 0 o 71 6 2 1 Testablauf f r den Heizkreislaufes e 71 6 2 2 Testablauf f r die Beladung des Speichers mit der geringsten Temperatur 73 6 2 3 Testablauf des K hlkreislaufes 74 6 2 4 Testablauf f r die Versorgung der Kreisl ufe 74 Inhaltsverzeichnis 7 62 5 Szenarl less e padel AT a 77 6 3 Bewertung der Tests 24 3 2 38 3 43 32 3 s ka ndan I sm 77 7 Zusammenfassung und Ausblick 78 7 4 Z s mmenfass n 2 u as ira eher T E E T 78 T2 Ausblick 4 2 04 a ar a a ee ed 81 Literaturverzeichnis 82 Anhang A Hilfsmittel 84 BL EES mu a A dr da Ee ee 84 A 2 Telefonprotokolle 2 4 52 2 2225 wear E AAA AAA 105 A 3 Benutzerhandb cher und Sonstiges 108 Anhang B Quellcode 109 Tabellenverzeichnis 2 1 2 2 Anforderungsmatrix f r Sensor und Aktortechnik f r Forschungsarbeiten die se Tabelle ist in Zusammenarbeit mit Hojat Zarif entstanden 35 Anforderungsmatrix f r Sensor und Aktortechnik f r die allgemeine Geb u deversorgung diese Tabelle ist in Zusammenarbeit mit Hojat Zarif entstanden 37 Abbildungsverzeichnis 1 1 1 2 1 3 1 4 2 1 2 2 3 1 3 2 3 3 4 1 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 6 6 6 7 A 1 Au enansicht Energi
35. aulische Verschaltung des Szenarios 24 104 1 Einf hrung 1 1 Einleitung Am 06 08 2012 ist im Hamburger Rathaus f r das Projekt Technologiezentrum Energie Campus Hamburg der Startschuss gefallen Die Ziele des Projektes sind die Vernetzung von Unternehmen und Hochschulen Unternehmensansiedlungen und die Akzeptanz der B rger f r die Erneuerbaren Energien Die Schwerpunkte des Energie Campus liegen zum einen in den Kernkompetenzen Windenergie Netzintegration Smart Grid und der Speicherung von Energie Zus tzliche Themen sind die Energiespeicherung mit Wasserstoff und die energieeffiziente Stadt Erweitert wird das Projekt mit der Elektromobilit t und der Photovoltaik F r diese Forschungs und Entwicklungsfelder schaffte das Competence Cen ter f r Erneuerbare Energien und Energieeffizienz kurz CC4E Anlagen f r den Energie Campus an Diese sind ein Blockheizkraftwerk welches mit Gas bzw Methan betrieben werden kann Das Methan wird aus der ebenfalls angeschafften Methanisierungsanlage gewonnen Zus tzlich sieht die Planung ein Elektrolyseur eine Photovoltaikanlage eine W rmepumpe eine L ftungsanlage eine Ladeinfrastruktur f r Elektrofahrzeuge und eine Batterie zum Speichern der gewonnenen Energie vor Durch Energieeinsparungen Energiemanagement sowie Komfortbed rfnisse und die An passungsf higkeit der Geb ude steigt der Bedarf an Automatisierungssystemen in der Geb udeausstattung
36. azugeh rigen Regelung muss das Modell mit Bereichen erweitert werden in denen die Batterie Laden soll In diesen Bereichen findet eine berwachung statt Mit diesem Modell sollte ebenfalls die Anbindung von der OPC Schnittstelle getestet werden Dies konnte mit der Umsetzung von zwei Matlab Instanzen auf einem Rechner ber den OPC Simulationsserver erfolgreich erprobt werden Zus tzlich zu diesen Tests sind Ablauftests f r die Szenarien des Heiz und K hlsystems entstanden damit eine Umsetzung der Anforderungen erfolgen kann Nun folgt mein pers nliches Fazit Ich hatte mir zwei Sachen von der Bachelorarbeit er hofft Erstens einen Einblick in die Geb udeautomatisierung zu bekommen die mich schon 7 Zusammenfassung und Ausblick 81 immer fasziniert hat Zweitens die Geb udeautomatisierung mit der Nutzung von erneuer baren Energie zu verbinden Beide Ziele wurden von meiner Seite erreicht Mir ist gerade in der Geb udeautomatisierung aufgefallen dass immer mehr Standards festgelegt werden Dies ist und war auch von N ten da vor der Einf hrung von BACnet als Standardprotokoll f r die Management und Automatisierungsebene ein durcheinander herrschte Im Zuge einer Standardisierung wer den oftmals die Freiheiten eines Systems eingeschr nkt dies ist aber mit dem lizensfreien Produkt BACnet nicht der Falle Hier werden im Gegenteil Freiheiten geschaffen um zum Beispiel ein System mit einer weiteren Anlage auszubauen Auch d
37. bauteil Forschungsarbeiten MUSS soll optional W rmepumpe Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Durchflussmengenmesser Temperaturmesser W rmemengenmesser Ventilansteuerung XXX XxX X Heizst be Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Photovoltaik Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Speicherbatterie Ladeinfrastruktur Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Temperaturmesser Leistungs bzw Stromz hler Ein u Ausgang x lz X X X Xx lz Elektrolyse Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Wasserz hler Gasz hler H2 Methanisierung Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Gasz hler H2 C02 CH4 Ladeinfrastruktur E Auto E Fahrrad Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Ein u Ausgang Windkraftanlage Rechner f r Daten bergabe Zugang DIS x X X X X X X X X lz Tabelle 2 1 Anforderungsmatrix f r Sensor und Aktortechnik f r Forschungsarbeiten diese Tabelle ist in Zusammenarbeit mit Hojat Zarif entstanden 2 Anforderungen und Problemstellung 36 Anlage Steuerbauteil Geb udeversorgung MUSS soll optional Sicherheitssysteme Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang x x Hydraulik Heizfl chen Betonkernaktivierung Heizk rper Re
38. chen Damit ist eine Optimierung des Systems m glich 5 1 Monitoring Ein System muss bei der Planung und Ausf hrung im Vorhinein simuliert werden Mit diesen Informationen ist zu einem sp teren Zeitpunkt eine Inbetriebsetzung und Einfahren des Sys tems m glich Nachdem Einfahren des System auf den zugrundeliegenden Simulationen kann eine Optimierung stattfinden Zudem kann eine andauernde Betriebs berwachung zur weiteren Optimierung beitragen Ein Monitoring l sst sich wie folgt in das System integrieren Im Vorfeld m ssen Daten zur Verf gung stehen beziehungsweise Kennzahlen die zum Teil aus Energiebilanzen bestimmt werden Diese Daten werden aus Berechnungen von Tempe raturdifferenzen W rmemengen Durchflussmengen Volumenstr me und Stromlasten er fasst Nun folgen die Messungen die mit den zugrundeliegenden Berechnungen verglichen wer den Diese Messungen sollten ein komplettes Jahr andauern damit ist eine Dokumentation eines ganzj higen Anlagenverhaltens m glich Bei der Messwerterfassung sollten keine Da ten fehlen sonst ist keine zuverl ssige Aussage f r diesen Zeitraum mehr m glich Dabei k nnen Datenpuffer helfen indem die Messungen im System zwischengespeichert werden Um die Sicherheit des Datenpuffers zu erh hen sollte eine zus tzliche Datenpufferung statt finden Dabei ist es wichtig dass eine zeitliche Synchronisation der Daten erfolgt Um die 5 Implementierung 62 Menge der Daten im Rahmen zu halten
39. chner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Temperaturmesser Ventilansteuerung W rmemengenmesser Durchflussmengenmesser x K ltemaschine Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Temperaturmesser Ventilansteuerung W rmemengenmesser Durchflussmengenmesser BHKW Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Durchflussmengenmesser Temperaturmesser W rmemengenmesser Ventilansteuerung L ftungsanlage Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Volumenstrommesser Temperaturmesser Leistungs bzw Stromz hler Ventilansteuerung Heizspeicher Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Durchflussmengenmesser Ein und Ausgang Temperaturmesser Ein und Ausgang W rmemengenmesser Ein und Ausgang Ventilansteuerung Drucksensoren Fortsetzung folgt 2 Anforderungen und Problemstellung 37 Anlage Steuerbauteil Geb udeversorgung MUSS soll optional W rmepumpe Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Durchflussmengenmesser Temperaturmesser W rmemengenmesser Ventilansteuerung Heizst be Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Photovoltaik Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Speicherbatterie Ladeinfrastruktur Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang T
40. chtet werden das der Leitrechner bzw ein Kontrollserver die Daten sammelt und bei eventuellen Bereichs berschreitun gen ber die Controller eingreifen und gegensteuern kann Deshalb ist ein System dass einen Server besitzt der die Daten sammelt von Vorteil Von einer zentralen Steuerung des Systems ist abzuraten da Entwicklung und Forschung mit den Anlagen dadurch nur eingeschr nkt m glich ist 3 4 Kommunikation in der Automatisierungsebene Die Anbindung der Anlagen in das Kommunikationssystem ist weitaus komplizierter zu betrachten Dabei ist das Einbinden verschiedenster Protokolle in das System das wich tigste Thema Denn jeder Hersteller stellt unterschiedliche Protokolle f r die Einbindung in das System zur Verf gung So muss beim Blockheizkraftwerk ein Modbus Protokoll in das Kommunikationssystem der Automatisierungsebene implementiert werden Ein Ansatz ist dabei der Einsatz von Wandlern die blicherweise in der Geb udeautomati sierung eingesetzt werden Diese Wandler bersetzten meist problemlos ein Protokoll eines Anlagenherstellers in das vom System geforderte Automatisierungsprotokoll Allerdings entsteht hier ein programmiertechnischer Aufwand abh ngig vom Protokolltyp der f r die Umsetzung erbracht werden muss Auch der Einsatz von nur einem Protokoll k nnte einen L sungsansatz darstellen Wenn ein Anlagenhersteller nicht das geforderte Protokoll anbietet muss nach einem Anbieter gesucht werden der dies zur Verf
41. ckheizkraftwerk oder der reversiblen W rmepumpe gespeist Dabei findet die Einspeisung von warmen Wasser von oben und die Entnahme des abgek hlten Wassers von unten statt Das abgek hlte Wasser wird direkt zur ck in den Vorlauf des Heizkreises eingef hrt und durch das Block heizkraftwerk bzw der reversiblen W rmepumpe wieder erw rmt Der Vorteil dieser Anord nung ist dass bereits W rme f r den Heizkreislauf zur Verf gung steht wenn der Speicher nur teilweise beladen ist Zur besseren Beobachtung sind nicht nur Temperatursensoren im oberen und unteren Bereich n tig sondern auch zwischen diesen Bereichen Um die W r memenge besser nutzen zu k nnen sind die Speicher meistens schlank Die Aktivierung f r eine Beladung oder Entladung der Speicher erfolgt ber die bereits vorher erw hnten Temperatursensoren Eine Beladung findet statt wenn der Sensor in der obersten Schicht die Solltemperatur unterschreitet und der Speicher somit leer sprich energetisch leer ist Wird der Sollwert der Temperatur in der untersten Schicht des Speicher erreicht ist der Speicher voll und es kann die W rme vollst ndig f r den Heizkreislauf verwendet werden 2 1 8 Heizst be Die Heizst be sitzen in den Speichern und unterst tzen das Blockheizkraftwerk und die W r mepumpe Sie erw rmen bei Bedarf zus tzlich das Wasser in den Speichern damit das Heizwasser die richtige Temperatur f r den Heizkreislauf besitzt Die Energie f r die Heiz st be ko
42. ckt sensibel f hlbar oder chemisch gebunden erfolgen 2 Anforderungen und Problemstellung 27 Im Energie Campus Hamburg werden sechs 1000I Speicher f r den Heiz und K hlkreis lauf installiert Ein Speicher wird dabei ausschlie lich als K hlspeicher verwendet Die rest lichen f nf W rmespeicher bestehen aus zwei Latentw rmespeichern und drei sensiblen W rmespeichern Unter einem Latentw rmespeicher versteht man dass bei einem Pha senwechsel beispielsweise von fest zu fl ssig Energie in Form von W rme frei wird Ein anschauliches Beispiel gibt der Taschenw rmer hier werden durch die Erw rmung die Kris talle fl ssig speichern die W rme und geben sie nach und nach an die Umwelt ab bis die Kristallbildung wieder vervollst ndigt ist In den Latentw rmespeichern wird das gleiche Prin zip genutzt hier wird der Speicher mit sogenannten Parafinen gef llt und durch endotherme bzw exotherme Vorg nge W rme freigesetzt Zur Aktivierung der endothermen Reaktion wird W rme ben tigt die ber W rmetauscher im Speicher vom Blockheizkraftwerk oder von der reversiblen W rmepumpe gespeist werden Durch die h here W rmedichte der Par afine wird eine h here Temperatur im Speicher erreicht Diese W rme wird wieder ber W rmetauscher abgegriffen und dem Heizkreislauf zur Verf gung gestellt Ein gro er Nach teil der Parafine ist ihre Brennbarkeit 3 Sensible W rmespeicher sind mit Wasser gef llt und werden vom Blo
43. d es sind schwerwiegende Eingriffe in die Natur n tig Aus diesem Grund wird am Standort Hamburg Bergedorf ein Entwicklungs und Forschungsgeb ude entstehen um andere Wege zur Ener giespeicherung in Verbindung mit erneuerbaren Energien zu etablieren Durch die Vernet zung der Anlagen im Geb ude soll der Energie Campus Hamburg die bersch ssige Ener gie konomisch nutzen Im Energie Campus Hamburg wird bersch ssige Energie in Form von Methan in Gasflaschen gespeichert um es gegebenenfalls dem Blockheizkraftwerk zum Verheizen zur Verf gung zustellen Anderenfalls wird die bersch ssige Energie in einer Bat terie im Geb ude gespeichert die ebenfalls bei Energieknappheit das Geb ude mit Energie versorgen kann Durch diese effiziente Nutzung der Energie soll kein autarkes Geb ude ent stehen steht kein Strom aus der eigenen Produktion bzw Speicherung zur Verf gung wird dieser ber den Netzanschlu bereitgestellt Quelle DGI Bauwerk Gesellschaft von Architekten mbH Abbildung 1 1 Au enansicht Energie Campus Hamburg 4 1 Einf hrung 13 In den heutigen Geb uden findet man eine Vielzahl von Automatisierungssystemen Zu s tzlich zu den Anlagen zur W rme und K lteerzeugung kommen immer mehr Anlagen in Geb ude die durch solare Strahlung und Wind Energie erzeugen Damit all diese Anla gen miteinander f r die Stromerzeugung im Geb ude kommunizieren k nnen werden sie mit aufwendigen Regelungssy
44. d zus tzlich Hardwarem ig abgefangen Frage K nnen die Grenzen direkt an den Controllern verstellt werden Antwort Ja dies ist allerdings mit Zugriffsrechten abgesichert Und eine Fehlbedienung kann zu einen St rfall f hren falls keine Bereiche f r eine R ckfallsicherung implementiert sind Frage Wie wird eine OPC Schnittstelle implementiert Antwort Die ben tigten OPC Server werden im EBI Server integriert damit ein Austausch mit den Rechnern in der Managementebene m glich ist Frage Wie sieht das System in der Managementebene aus Antwort Es ist keine Peer to Peer Verbindung allerdings wird mit verteilten Serverstrukturen gearbeitet Dabei k nnen sie genau gleich eingerichtet werden und k nnen die gleichen Rechte bekommen wie der Leitrechner Zus tzlich wurde vereinbart das weitere Unterlagen zur Informationsbeschaffung an mich gesendet werden Es wird ein Beispiel f r eine berwachung eines Systems und eine Betriebsanleitung f r einen Controller gesendet Siemens Datum 23 01 2014 Gespr chspartner Herr Kr ger Siemens Frage Wie sieht das System von Siemens in der Managementebene aus Antwort Es gibt eine Leitrechner und zus tzlich kann ein Rechner f r Forschungzwecke A Hilfsmittel 107 verbunden werden Dies wird nachdem Stand der Technik mit dem BACnet Protokoll erm g licht Zudem ist eine Implementierung einer OPC Verbindung denkbar Frage Gibt es einen Server oder Leitrechner wo die Daten
45. den kann die Beladung dessen und der R cksprung ins Flussdiagramm f r den Heizkreislauf erfolgen Ist die Suche nach einen Speicher mit einer niedrigen Temperatur erfolglos so ist ein Stopp n tig damit kein weiterer Speicher beladen wird Bef llung des Speichers mit der geringsten Temperatur in der obersten Schicht at Speicher 2 die geringste Temp Sprung zur ck ins Hauptprogramm Sprung zur ck ins Hauptprogramm Sprung zur ck ins Hauptprogramm Sprung zur ck ins Hauptprogramm Sprung zur ck ins Hauptprogramm Abbildung 6 5 Flussdiagramm f r die Beladung des Speichers mit der geringsten Temperatur 6 Test und Bewertung 74 6 2 3 Testablauf des K hlkreislaufes Zun chst ist die Bedingung dass die ben tigten Anlagen bereit zum Beladen sind Die se Anlagen sind im K hlkreislauf die K ltemaschine und die reversible W rmepumpe bzw Umw lzpumpe Sind die Anlagen nicht bereit wird zun chst in einer Warteschleife auf eine Bereitschaft der Anlagen gewartet Da nur ein Speicher f r die K lte zur Verf gung steht gen gt hier eine Abfrage die kl rt ob die Solltemperatur der untersten Schicht des K l tespeichers erreicht wurde Wenn sie nicht erreicht ist wird der Speicher weiter beladen Andernfalls wird mit der Beladung gestoppt und es kann danach eine Versorgung des K hl kreislaufes erfolgen Beladevorgang des Speichers im K hlkreislaufs K l
46. derungen an das Umfeld der Anlagen und an einige B ror ume Die dritte Partei sind die Herstel ler die ihre Anlagen in das Geb ude stellen Die Anlagen m ssen mit der Feldebene und Managementebene kommunizieren und haben deshalb Anforderungen an das System Die vermittelnde Partei sind die Passau Ingenieure Sie sollen ein geeignetes System f r die Geb udeautomatisierung erarbeiten mit dem alle beteiligten Parteien zufrieden sind Meine Arbeit besteht dabei die Anforderungen von Seiten des C4DSI an die Systemausf hrung in die Planung der Passau Ingenieure nach R cksprache mit der HAW Hamburg einflie en zu lassen Zu erg nzen w re noch dass nicht alle Anforderungen von C4DSI voll und ganz er f llt sein m ssen denn durch Kostenbremse und Einsparungen k nnten bzw werden einige Anforderungen gestrichen oder abgewandelt Um die Anforderungen zu spezifizieren hab ich in Zusammenarbeit mit Hojat Zarif bei der Aufstellung der Anforderungen eine Einteilung vorgenommen Die Anforderungen werden in zwei Gruppen eingeteilt Muss und Soll 2 2 1 Anforderungen an die Geb udeautomatisierung Die Anforderungen von C4DSI an das System sind in Zusammenarbeit mit der gesamten Abteilung entstanden da diese das System sp ter haupts chlich nutzen werden Um eine Forschung und Entwicklung im Geb ude zu gew hrleisten muss ein zweiter Rechner zur Verf gung stehen der ausschlie lich f r Forschungs und Entwicklungsarbeiten benutzbar ist
47. die im Brandfall schlie en als Brand bek mpfungssysteme eingesetzt Der Einsatz von Feuermeldern als Brandschutzmeldevor richtungen im Geb ude ist ebenfalls vorgesehen Es werden Einbruchmeldesysteme wie Be wegungsmelder und Alarmgeber installiert allerdings ist bei der Planung des Geb udes die Video berwachung aus datenschutzrechtlicher Sicht entfallen Die Schlie anlagen bzw Zu trittskontrollen werden nicht ber die Geb udeleitrechner gesteuert sondern ber die HAW internen programmierbaren Schlie zylinder vorgenommen 2 1 2 Hydraulik und Heizfl chen Zu der Hydraulik geh ren die gesamten Ventile und Rohrsysteme im Heiz und K hlkreis lauf Jedes einzelne Ventil soll ber den Rechner f r die Forschungsanlagen bedienbar sein am Geb udeleitrechner sind diese automatisiert gesteuert Die Ventile sind notwendig um verschiedene Szenarien f r das Geb ude im Zusammenspiel mit Speicher und den Heiz bzw K hlanlagen zu erarbeiten Die Heizk rper im Geb ude und die Betonkernaktivierung dienen als Heizfl chen Unter einer Betonkernaktivierung versteht man Rohre die f r das Heiz und K hlsystem in der Betondecke implementiert sind Durch diese Rohre flie t Heiz bzw K hlwasser um das Geb ude zus tzlich zu den Heizk rpern an den W nden ber den Boden bzw Decke zu erw rmen oder zu k hlen Da die Betonkernaktivierung ein sehr tr ges System ist m ssen bestimmte Gr en messbar bzw steuerbar sein Das sind zum einen
48. diesen Server haben dann beide Rechner Zugriff In diesem System ist der Leitrechner die zentrale Instanz in der Managementebene Wie beim Honeywell Konzept ist eine Einstellung von Zugriffsrechten f r die beteiligten Rechner notwendig Zur Gegen berstellung dieser drei Varianten werden nun die Anforderungen an das System mit in die Betrachtung einbezogen Dadurch soll analysiert werden ob eine Umsetzung der verschiedenen Ans tze m glich ist Dabei entf llt der erste Ansatz da der Geb udeleitrechner keinen Zugang zu den reinen Forschungsanlagen hat Dies muss allerdings m glich sein da sonst keine Kommunikation zwischen Geb udeversorgungsanlagen und Forschungsanlagen m glich ist Gerade diese Kommunikation macht die Forschungsarbeit im Geb ude aus Daraus folgt dass alle Anla gen ber eine Instanz laufen m ssen damit eine Kommunikation der Anlagen untereinander 3 Technische Analyse 49 m glich ist Das System was der Energie Campus Hamburg ben tigt m sste in der Lage sein die Daten aus der Automatisierungsebene an einen Punkt zu speichern damit eine berwa chung des Systems leichter implementiert werden kann Zudem m ssen Regelungen die in der Managementebene ausgel st werden ber einen zentralen Rechner gespeichert und berwacht werden Somit ist der Ansatz von Honeywell und Siemens f r eine Geb udeauto matisierung im Energie Campus Hamburg sehr gut geeignet da die Daten entweder ber einen Server
49. dung der Speicher sorgen bereit sind Im Energie Campus Hamburg sind daf r das Blockheizkraftwerk und die W rmepumpe zust ndig Falls diese Anlagen nicht bereit zum beladen sind ist ein Wei terleiten in eine Warteschleife die Folge Sind die Anlagen bereit erfolgt eine Abfrage ob die Beladung der Speicher parallel stattfindet Bei einer Parallelbeladung der Speicher wird gekl rt ob es sich um eine schnelle Beladung handelt Es handelt sich um eine schnelle Beladung sobald nur ein Speicher beladen wird und zwar der mit der geringsten Solltempe ratur in der obersten Speicherschicht Wenn dies Eintritt wird zun chst ein Unterprogramm f r die Beladung des Speichers mit der geringsten Temperatur in der obersten Speicher schicht gestartet Dazu mehr im Kapitel 6 2 2 Danach beginnen die zust ndigen Anlagen mit der Beladung des Speichers mit der geringsten Temperatur Um das zu kontrollieren wird die Solltemperatur in der untersten Speicherschicht berpr ft und abgefragt ob sie erreicht wurde Falls dies nicht der Fall ist wird der Speicher weiter beladen Ist die Temperatur auf dem Niveau der Solltemperatur so wird die Beladung des Speichers gestoppt Als N chstes muss abgefragt werden ob die Beladung weiterer Speicher n tig ist Wenn alle ben tigten Speicher beladen sind k nnen diese Speicher freigeschaltet werden f r die Versorgung des Heizkreislaufes Soll anstatt der Parallelbeladung eine Beladung in Reihe stattfinden wird di
50. e Anlagenmodelle auf dem Rasberry Pi in das System integriert werden Antwort In der Managementebene Frage Wie k nnen unterschiedliche Protokolle in der Automatisierungsebene mit dem BAC net Protokoll verbunden werden Antwort ber sogenannte Gateways oder Wandler diese bersetzen das Protokoll einer Anlage in das Protokoll der Managementebene Daf r ist allerdings Programmieraufwand einzuplanen Frage Ist eine Implementierung einer Resetfunktion m glich Antwort Ja diese k nnte im EBI Server implementiert werden Dieser setzt die Anlagen bei Bet tigung des Resets auf Startwert zur ck Dieser Startwert wird als Ausgangszustand benutzt A Hilfsmittel 106 Frage Entstehen weitere Kosten wenn das System in der Managementebene erweitert wird Antwort Nein nur wenn die Anzahl der Reader 12 bersteigt Zus tzlich wurde vereinbart das weitere Unterlagen zur Informationsbeschaffung an mich gesendet werden Es wird eine Betriebsanleitung des EBI Servers gesendet Datum 16 01 2014 Gespr chspartner Herr Tobias Kalb Honeywell Frage Wo k nnen Bereiche festgelegt werden die bestimmte Abstufungen bei den Re gelungen m glich machen Antwort Die Alarmgrenzen werden im Controller implementiert dabei sind auch automati sierte Gegenregelungen m glich F r die Regelung eines Systems bzw mehrerer Anlagen ist dies zudem ber den EBI Server m glich Frage wie wird der Brandschutz gew hrleistet Antwort Dieser wir
51. e Campus Hamburg 4 12 VEINELZUNGSPIAN win su sa NE ee inne 14 Genormte Bussysteme und Netze in der Geb udeautomatisierung 19 15 OPC Verbindung in einem Automatisierungssystem 18 22 Entwurf der hydraulische Verschaltung des Heiz und K hlkreislaufes C4DSI 39 hydraulische Verschaltung des Szenarios 7 nn nn 43 Konzept Geb udeleittechnik CAD 46 Typischer Aufbau eines Geb udeautomatisierungssystems der Firma Honey Welles osado a ha e FE Ee 47 Typischer Aufbau des Geb udeautomatisierungssystems Desigo der Firma Siemens 24 o a 47 Schemata Geb udeleittechnik o o 56 Batteriemodell 63 Batteriemodell mit OPC Anbindung 63 Steuerung der Batterieladung mn nen 64 Steuerung der Batterie mit OPC Anbindung 64 Batteriesteuerung mit Sicherheitsabfragen 2 2 nn nen 65 a Leistung Solaranlage b Leistung Blockheizkraftwerk c Addition von bei den Leistungen d Tageslastprofil e Addierte Leistung minus Tageslastprofil f Batterienutzungsintervalle 222222 oo non nn 68 Simulationsergebnis Leistungsbeschr nkung a Minimale Leistung von 2 5kW b Leistungskurve berschuss c Ladezyklen 69 a Maximale Ladekapazit t b aktueller Ladungsstand c Ladesignal 70 Flussdiagramm f r den Heizkreislauf 72 Flussdiagramm f r die Beladung des Speichers mit der geringsten Temperatur 73 Flussdiagramm K hlkrei
52. e Kommission durch IEC gekennzeichnet 1 Einf hrung 16 Auf der Feldebene findet sich neben der LON Technologie auch das Bussystem KNX Beide sind in den europ ischen Normen EN 14908 und EN 50090 bzw in ISO IEC 14543 standar disiert Auf der Automationsebene konnte sich das in der weltweiten Norm EN ISO 16484 5 aufgef hrte BACnet durchsetzen Des Weiteren finden sich hier der aus der Industrieauto mation bekannte Profibus und das aus Frankreich kommende Factory Instrumentation Proto col FIP genauer WorldFIP F r Kommunikationsverbindungen auf der Managementebene findet sich allein BACnet 19 1 5 Struktur in der Geb udeleittechnik Mit der industriellen Kommunikation wird im Gegensatz z B zur Sprachkommunikation zwi schen Menschen die Kommunikation zwischen Ger ten der industriellen Automatisierungs technik bezeichnet 19 Wie in Abbildung 1 3 zusehen war ist die Struktur in der Geb udeleittechnik klar gegliedert Es gibt eine Feldebene in der sich die Sensoren und Aktoren befinden In der Automatisie rungsebene stehen die Anlagen zur K lte W rme und Stromversorgung und die Manage mentebene kommuniziert mit den Anlagen im Verbund ber den Geb udeleitrechner Auch innerhalb der Ebenen muss eine Kommunikation stattfinden dies behandeln ebenfalls die folgenden Kapitel 1 5 1 Feldebene Die Feldebene ist die unterste Ebene der Geb udeleittechnik und besteht aus Sensoren und Aktoren diese sind die sogenannten Fe
53. e gleicherma en Szenario 23 Die reversible W rmepumpe beliefert mit ohne der K ltemaschine Speicher 1 mit K lte w hrend das Blockheizkraftwerk Speicher 2 6 parallel mit W rme beliefert Szenario 24 Zudem muss die reversible W rmepumpe den K ltekreis direkt mit K lte beliefern w hrend das Blockheizkraftwerk Speicher 2 6 parallel mit W rme beliefert Zudem haben sich 3 Szenarien er brigt da im Laufe der Planung festgestellt wurde dass nur ein K ltespeicher ben tigt wird Demzufolge entfallen Szenario 17 18 und 19 Dar ber hin aus sind weitere wichtige Voraussetzungen an das System zu schaffen Es m ssen zus tz liche Flansche vorgesehen werden um das System durch weitere Erzeuger W rme K lte und Verbraucher W rme K lte zu erweitern Des Weiteren ist eine Eingangstemperatur f r den Heiz und K hlkreislauf w nschenswert diese Anpassung soll durch die R cklaufbei mischung erfolgen Um den Entwurf gegebenenfalls anzupassen sind zudem Anmerkungen an das System zu machen Zum einen sollten die W rmetauscher nur Verwendung finden wenn Medien von einander getrennt werden m ssen oder die Installierung eines W rmetauschers unbedingt notwendig ist beispielsweise besitzen die PCM Speicher zwei integrierte W rmetauscher Wahrscheinlich muss je nach Ausf hrung die Verschaltung des Speichers angepasst wer den falls die Pumpendr cke der Erzeuger es nicht zulassen aus einer Leitung den Massen strom zu beziehen Zud
54. edes einzelnen Speichers gestoppt Test 8 Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur jedes einzelnen Speichers freigegeben Vorlauf Ruckau W rmezufuhr durch BHKW x x l RA 57 ap IN IN o 42 Sp2 Sp3 Sp4 Sp5 Sp6 K ltezufuhr durch egen K ltemaschine 30 K ltezufuhr durch rev W rmepumpe R cklauf Abbildung A 20 hydraulische Verschaltung des Szenarios 23 A Hilfsmittel 104 Szenariotest 24 Wie in der Abbildung A 21 zusehen ist werden im Szenario 24 mit Hilfe der reversiblen W rmepumpe der Vorlauf des K hlkreises mit K lte direkt beliefert Es befindet sich kein Speicher dazwischen des Blockheizkraftwerks die Speicher 2 6 parallel beladen Test 1 Ist die reversible W rmepumpe bereit f r die Belieferung des Vorlaufs mit K lte Test 2 Sind die Ventile 30 und 42 f r die direkte Belieferung des Vorlaufs mit K lte ge ffnet Test 3 Ist das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Test 4 Sind die Ventile 50 51 52 54 und 55 f r den parallelen Beladevorgang f r Speicher 2 6 ge ffnet Test 5 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur jedes einzelnen Speichers gestoppt Test 6 Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur jedes einzelnen Speichers freigegeben Vorlauf Ruckkau W rmezufuhr durch BHKW NZ NJ NZ XZ ZN FR N ZN NI 55 ZN 42 o d JN Sp2 Sp3 Sp4 Sp5 Sp6 30 K lte
55. einnimmt 1 8 1 LonWorks 1980 hatte das damalige Vorstandsmitglied von Apple Mike Markkula die Idee Mikrocompu ter kosteng nstig herzustellen sodass sie in Haushaltsger ten eingebaut werden konnten 1986 gr ndete er zusammen mit Dr Ken Oshmann die Firma Echolon die sich der Aufgabe stellte dezentrale Netzwerk zu erstellen Daf r wurde 1990 der Neuron Chip der ffentlich keit pr sentiert und zuerst durch Toshiba Motorola und sp ter durch Cypress produziert Dieser Prozessor diente als Kommunikationsschnittstelle zum Datenaustausch mit anderen Automatisierungssteuerungen Heute ist die Lon Technologie ein genormtes Bussystem EN 14908 Die wichtigsten Vorteile von LonWorks in der Geb udesystemtechnik sind die Komfortfunktionen Energiemanage mentfunktionen und die Flexibilit t Dabei liegt der Schwerpunkt eindeutig in der Raumau tomatisierung insbesondere in der Lichtreglung eines Raumes ber Zeitschaltprogramme kann zum Beispiel nach Feierabend das Ausschalten der Lichter im Geb ude automatisch erfolgen und zus tzlich die Thermostate heruntergeregelt werden Durch nderungen in der Lichtsteuerung im Geb ude ist keine Umverdrahtung n tig denn die neue Ansteuerung kann ber das Umprogrammieren einfach in der Geb udeautomatisierung umgesetzt werden Im Allgemeinen ist LonWorks auch f r die Geb udeautomatisierung der Heizung K lte und L ftungsanlagen geeignet und bernimmt dabei vorwiegend die Mess Steuer und Regel f
56. el soll das Szenario sieben dienen veranschaulicht in Abbildung 2 2 Dies besagt dass sowohl die W rmepumpe als auch das Blockheizkraftwerk die Speicher vier f nf und sechs in Reihe mit W rme versorgen kann Die Beladung der Speicher beginnt wenn die Temperatursensoren signalisieren dass die Solltemperatur in der obersten Schicht geringer 2 Anforderungen und Problemstellung 43 ist als die Grenztemperatur zum Vorlauf f r den Heizkreislauf Im Szenario sieben sind die beide prim ren Anlagen zur W rmeversorgung im Einsatz Das Blockheizkraftwerk und die reversible W rmepumpe beladen ber die ge ffneten Ventile 36 und 55 Speicher sechs Da Speicher sechs ber die ge ffneten Ventile acht und zw lf mit den Speichern vier und f nf in Reihe verbunden ist muss die W rme in drei Speicher verteilt werden Am Speicher vier wird zudem das abgek hlte Wasser zur ck in den R cklauf zum Blockheizkraftwerk bzw zur W rmepumpe geliefert Um das Temperaturprofil der drei Speicher im Ganzen aufzuzeich nen befinden sich in jedem Speicher laut aktuellem Planungsstand bis zu drei Temperatur sensoren Die Temperaturmessung zur Versorgung des Heizkreislaufes wird in der untersten Schicht des untersten Speichers vorgenommen Somit wird erkannt dass die Temperatur im Speicher sechs den Grenzwert f r den Heizkreislauf erreicht Dann kann ber ffnung eines Dreiwegeventils die Zufuhr von W rme aus der obersten Speicherschicht wahlweise auch zus tzl
57. ellung f r Methan genutzt werden Dazu mehr im n chsten Kapitel Methanisierungsanlage 9 Der Elektrolyseur im Forschungsgeb ude Energie Campus Hamburg von der Firma H Tec Systems besitzt 144 Zellen die als Spannungsquellen dienen Damit k nnen ca 3 3Nm Wasserstoff in der Stunde produziert werden Die Umgebungsbedingungen des Herstellers sind dabei zu beachten und einzuhalten Eine Temperatur von 4 50 C und eine Luftfeuch te bis zu 90 sind die Grundvoraussetzungen Um die Sicherheit zu gew hrleisten muss Schutzart IP22 erf llt sein Die besagt dass die Anlage gegen feste Fremdk rper mit Durch messer ab 12 5mm und gegen den Zugang mit den Fingern gesch tzt ist Zus tzlich muss Schutz gegen fallendes Tropfwasser gew hrleistet werden wenn das Geh use bis zu 15 geneigt ist Au erdem muss f r ausreichend L ftung nach IEC 60079 10 Zone 2 gesorgt werden da unter atmosph rischen Bedingungen vorliegendes Gemisch von Luft und einem brennbaren Material in Form von Gas Dampf Nebel Staub Fasern oder Flocken in dem sich nach Z ndung die Verbrennung im gesamten unverbrauchten Gemisch fortpflanzt Zo ne 2 besagt dass nur selten oder kurzzeitig eine explosionsf hige Atmosph re aus einem Gemisch von Luft und brennbaren Substanzen entsteht Deshalb ist diese Anlage nicht f r 2 Anforderungen und Problemstellung 29 den Betrieb in gefahren oder explosionsgef hrdeten Zonen geeignet IEC 60079 10 Zone 2 2 1 11 Methanisie
58. em k nnten je nach Kostendruck zwei Zweiwegeventile ein Dreiwe geventil ersetzen Und wenn der W rmetauscher im PCM Speicher nur einen Ausgang be sitzt muss ein Dreiwegeventile eingesetzt werden um die Leitung aufzuteilen einmal in den R cklauf zum Blockheizkraftwerk und zum anderen zur W rmepumpe Sind jedoch mehre re Ausg nge am W rmetauscher vorhanden ist von den Dreiwegeventilen abzusehen Die Dreiwegeventile am Speicher 4 5 und 6 zum Vorlauf des Heizkreises werden zur 2 Zonen Entnahme ben tigt damit kann sowohl aus der Speichermitte als auch aus der obersten Schicht W rme entnommen werden 2 Anforderungen und Problemstellung 42 2 3 Erl uterung der Anforderungen an Beispielen Um einige Anforderungen an das System n her zu erl utern werden nun Beispiele folgen Ein Beispiel steht f r die Geb udeautomatisierung und ein weiteres f r den Heiz und K hl kreislauf Aus diesen Beispielen werden allerdings nicht alle Anforderungen an das System ersichtlich 2 3 1 Beispiel f r die Geb udeautomatisierung Hier soll die Batterie in der Montagehalle als Beispiel dienen Zuerst m ssen die Bedingun gen festgelegt werden wann die Batterie geladen werden soll Die Batterie soll nur dann geladen werden wenn gen gend berkapazit t in der hauseigenen Stromproduktion durch das Blockheizkraftwerk und die Photovoltaikanlage zur Verf gung steht Dazu muss im Sys tem eine Tageslastkurve des Geb udes hinterlegt sein in der der
59. emperaturmesser Leistungs bzw Stromz hler Ein u Ausgang Elektrolyse Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Wasserz hler Gasz hler H2 Methanisierung Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Gasz hler H2 C02 CH4 Ladeinfrastruktur E Auto E Fahrrad Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Ein u Ausgang Windkraftanlage Rechner f r Daten bergabe Zugang Tabelle 2 2 Anforderungsmatrix f r Sensor und Aktortechnik f r die allgemeine Geb ude versorgung diese Tabelle ist in Zusammenarbeit mit Hojat Zarif entstanden 2 Anforderungen und Problemstellung 38 2 2 2 Anforderungen an die hydraulische Schaltung des Heiz und K hlkreislaufes Zu den Anforderungen an die Geb udeleittechnik sind Anforderungen an die hydraulische Schaltung des Heiz und K hlkreislaufes zu bestimmen um ein reibungsloses System zu schaffen Der folgende Schaltplan 2 1 wurde dabei von C4DSI insbesondere durch Hojat Zarif erstellt und als Entwurf an Passau Ingenieure geschickt um eine Umsetzung in eine entsprechende technische Zeichnung vorzunehmen Das Blockheizkraftwerk die W rme pumpe mit den dazugeh rigen Erdsonden und die K ltemaschine sind f r die Versorgung durch W rme und K lte prim r f r den Heiz und K hlkreislauf vorgesehen Zus tzlich be finden sich sechs Speicher im System wovon zwei der Speicher sogenannte P
60. en zu reagieren ist eine entsprechende Programmierung in den Controllern notwendig Zudem kann diese Programmierung ber den EBI Server der Firma Honeywell oder ber den Leitrechner der Firma Siemens erfolgen welche zum Beispiel f r eine berwachung eines Raumes wichtig ist Ein Szenario k nnte sein Ein Sensor erfasst eine Person und die Kamera als Aktor schaltet sich an Damit die Kamera dem Zielobjekt nun folgt kann eine entsprechende Programmierung auf dem Server realisiert werden damit die Kamera dem Zielobjekt solange folgt bis es sich au erhalb der Reichweite der Kamera befindet und eine weitere Kamera die Verfolgung aufnimmt 3 6 Kommunikation in der Feldebene Die Feldebene stellt das geringste Problem dar Sie ist durch die Anforderungsmatrix 2 1 und 2 2 bereits gekl rt Allerdings muss auch hier wieder eine Anbindung an die Automati 3 Technische Analyse 54 sierungsebene ber ein geeignetes Protokoll geschaffen werden In der Feldebene ist das Kommunikationsprotokoll nicht entscheidend da hier bestimmte Sensoren zu Systemen zusammengefasst sind die ber den Controller gesteuert und ge regelt werden In der Geb udeautomatisierung gibt es auch hier eine reichliche Auswahl an Protokollen die zum Einsatz kommen k nnen Erw hnenswert sind Kommunikationsproto kolle wie LonWorks oder KNX um nur zwei Varianten f r eine Auswahl in der Feldebene zu nennen In den h ufigsten F llen wird dies ohnehin vom Sensor bzw Akto
61. enario 12 mit Hilfe des Blockheizkraftwerks die PCM Speicher 2 und 3 parallel beladen w hrend die W rmepumpe Speicher 4 6 in Reihe bel dt Test 1 Ist das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Test 2 Sind die Ventile 50 und 51 f r den parallelen Beladevorgang von Speicher 2 3 ge ffnet Test 3 Ist die W rmepumpe bereit zum Beladen Test 4 Sind die Ventile 36 12 und 8 f r die Reihenbeladung von Speicher 4 5 und 6 ge ffnet Test 5 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur jedes einzelnen Speichers von 2 3 und 6 gestoppt Test 6 Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur jedes einzelnen Speichers von 2 3 und 6 freigegeben W rmezufuhr durch W rmepumpe W rmezufuhr durch BHKW Temperatursensor ex x x x x 51 8 12 36 i i eg Lt R cklauf Abbildung A 12 hydraulische Verschaltung des Szenarios 12 A Hilfsmittel 96 Szenariotest 13 Wie in der Abbildung A 13 zusehen ist wird im Szenario 13 mit Hilfe des Blockheizkraftwerks die PCM Speicher 2 und 3 parallel beladen w hrend die W rmepumpe Speicher 4 6 parallel bel dt Test 1 Ist das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Test 2 Sind die Ventile 50 und 51 f r den parallelen Beladevorgang von Speicher 2 3 ge ffnet Test 3 Ist die W rmepumpe bereit zum Beladen Test 4 Sind die Ventile 36 53 und 11 f r den parallelen Beladevorgang von Speicher 4 5 und 6 ge ffnet
62. er Forschung h tte somit direkten Zugriff auf die gesammelten Daten Aber auch wenn der Leitrechner die Daten sammelt ist der Datenaustausch mit dem Forschungsrechner m glich In beiden F llen k nnen un terschiedliche Protokolle zum Einsatz kommen Wenn der Leitrechner als Datenspeicher fungiert kann der Forschungsrechner die Daten ber ein separates Protokoll abrufen Im Entwurf der Managementebene wird ein Protokoll ben tigt das der Kommunikation zwi schen den Rechnern dienen soll Hier wurde das BACnet Protokoll priorisiert da dieses in den heutigen Neubauten und an der Hochschule f r angewandte Wissenschaften Hamburg als Standard eingesetzt wird Es zeichnet sich besonders durch seine hersteller bergrei fende und objektorientierte Struktur aus Des Weiteren wird die Verwendung der OPC Schnittstelle priorisiert ber diese Schnittstelle ist eine Kommunikation mit Matlab m glich Dieses Verfahren setzt einen Server voraus und kann nach dem Entwurf von Honeywell ber einen EBI Server umgesetzt werden Dieser EBI Server wird dann mit den ben tigten OPC Servern ausgestattet welche eine Verbindung zur Automatisierungsebene ben tigen Der Forschungsrechner dient in diesem Szenario als Client und fordert die ben tigten Daten am Server an Dies bernimmt im Entwurf von Honeywell der EBI Server und im Entwurf von Siemens der Leitrechner Der Vorteil eines Servers liegt darin dass mehrere Rech ner mit diesem verbunden werden k nnen und dad
63. er Kommunikation aus diesem Grund ist der Einsatz eines einzigen Protokolls in der Automatisierungsebene die Folge Da aber bereits Anlagen f r den Energie Campus Hamburg beschafft wurden ist kein einheitliches Automatisierungs ebenenprotokoll m glich Hier ist das bereits gekaufte Blockheizkraftwerk vom C4DSI zu nennen Dieses besitzt bereits ein Modul f r ein Modbusanschluss Die weiteren Anlagen in der Geb udeversorgung sind gr tenteils mit einem BACnet Protokoll ausgestattet Um das Modbus Protokoll in das System zu integrieren kommt nur ein Gateway in Frage welches das Modbus Protokoll in BACnet bersetzt Das hei t die Datenpunkte von Modbus werden in ein BACnet bliches Format umgewandelt und an dieses weitergeleitet Daf r ist eine entsprechende Programmierung am Wandler notwendig 3 5 berwachungsstruktur F r die Regelungen ber einen Forschungsrechner m ssen gewisse Sicherheitsgrenzen implementiert werden und zus tzlich Priorisierungen im System stattfinden Eine ber wachung des Systems muss ber Grenzen definiert werden Da eine berschreitung von Sicherheitsgrenzen nicht zu empfehlen ist m ssen untergeordnete Grenzen definiert wer den Es muss Zum Beispiel ein Alarm bzw eine Gegenreaktion ausgel st werden wenn die Temperatur in dem Geb ude unter ein vorher definiertes Minimum sinkt Es k nnte dar ber hinaus vorher ein Alarm oder eine Warnung innerhalb eines schmaleren Bereichs ausgel st werden der e
64. er aktuelle Stand in der Geb udeautomatisierungstechnik Aufschluss ber den Aufbau von automati sierten Systemen die in heutigen Neubauten h ufig Verwendung finden Ein Entwurf wurde bereits in der Planungsphase vom C4DSI entwickelt Die Abbildung 3 1 zeigt diesen Entwurf welcher in Zusammenarbeit mit Hojat Zarif und durch Anmerkungen vom ganzen C4DSI entwickelt wurde Dieser Entwurf steht nun den Konzepten der einschl gigen Firmen in der Geb udeautomatisierung gegen ber und muss gegebenenfalls ange passt werden damit der Entwurf umsetzbar ist Dabei spielt der Entwurf der Firma Honeywell welcher speziell f r die Geb udeautomatisie rung des Energie Campus Hamburg entwickelt wurde eine gro e Rolle In der Abbildung 3 2 ist ein typischer Aufbau zusehen Im Anhang befindet sich der Entwurf der in Zusam menarbeit mit dem C4DSI und den Passau Ingenieuren entstanden ist Die Anforderungen wurden vom C4DSI definiert und ber die Passau Ingenieure die den Kontakt zu Honeywell aufgebaut haben weitergegeben In einem pers nlichen Gespr ch mit dem Verantwortlichen f r das Projekt bei Honeywell wurden n here Details gekl rt und erl utert Eine Telefonpro tokoll befindet sich im Anhang A 2 Ein weiterer namhafter Anbieter f r Geb udeautomationssysteme ist Siemens mit diesem Unternehmen sind ebenfalls Gespr che bez glich des Geb udeautomatisierungssystems f r den Energie Campus Hamburg gelaufen Auch hierf r ist ein typ
65. er auch anders umsetzbar sind k nnen in die Gruppe Soll In die verbleibende Gruppe Optional sto en die Anforderungen die nicht zwingend erforderlich sind 2 Anforderungen und Problemstellung 34 Anlage Steuerbauteil Forschungsarbeiten MUSS soll optional Sicherheitssysteme Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Hydraulik Heizfl chen Betonkernaktivierung Heizk rper Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Temperaturmesser Ventilansteuerung W rmemengenmesser Durchflussmengenmesser x XxX XxX XxX X K ltemaschine Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Temperaturmesser Ventilansteuerung W rmemengenmesser Durchflussmengenmesser x x X XxX lz BHKW Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Leistungs bzw Stromz hler Durchflussmengenmesser Temperaturmesser W rmemengenmesser Ventilansteuerung XXX XxX lz L ftungsanlage Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Volumenstrommesser Temperaturmesser Leistungs bzw Stromz hler Ventilansteuerung XX lz Heizspeicher Rechner f r direkte Ansteuerung Zugang Durchflussmengenmesser Ein und Ausgang Temperaturmesser Ein und Ausgang W rmemengenmesser Ein und Ausgang Ventilansteuerung Drucksensoren XXX SIS x Fortsetzung folgt 2 Anforderungen und Problemstellung 35 Anlage Steuer
66. ereichsverletzung durch eine Entwicklungsanlage kommt Die Aufgabe besteht dabei eine kommerziell verf gbare L sung zu finden bzw in Zusammen arbeit mit dem Beratungsunternehmen Passau Ingenieure ein Konzept f r diese L sung zu eruieren Am Ende soll ein Konzept entstehen welches festlegt wie der Leitrechner mit der Au tomatisierungsebene und der Feldebene kommuniziert Au erdem m ssen dezentrale Rechner in der Automatisierungsebene mit den Anlagen kommunizieren und bei eventu ellem St rfall in der Geb udeversorgung einen automatisierten Reaktionsplan ablaufen damit die Geb udeversorgung zur ck in den stabilen Betrieb gelangt Zus tzlich soll eine Funktion eines Resets implementiert werden der bei einer St rung alle Anlagen in den Ausgangszustand zur ckversetzt 1 Einf hrung 14 Photovoltaik Energie Campus Hamburg Geb udeautomatisierung Hydraulik Heizfl chen Sicherheitssysteme Blockheizkraftwerk Speicherbatterie K ltemaschine Elektrolyse L ftungsanlage Methanisierung Ladeinfrastruktur Bl Elektrofahrzeug Windlabor PRA Windkraftanlage Heizspeicher Heizst be Abbildung 1 2 Vernetzungsplan 1 4 Stand der Technik Neu gebaute Zweckbauten werden heutzutage mit standardisierten Automatisierungssyste men ausger stet In diesen Systemen kommunizieren die installierten Gewerke z B K lte und W rmeanlagen ber Buss
67. erry Pi an ein Netz erarbeitet Das Modell des Blockheizkraft werkes eignet sich besonders gut weil es Teil des Heiz und K hlkreislaufes ist und eine wesentliche Rolle f r die Energieversorgung im Geb ude spielt Da sich dieses Modell aller dings nicht f r die Simulation eignet da es sich nur um ein physikalisches Modell handelt Somit ist der Testfall mit der Simulation des Batteriemodells aus Kapitel 5 2 die Folge Diese Simulation wird im n chsten Kapitel dokumentiert Die weiteren Testf lle f r das Heiz und K hlsystem werden im Kapitel 6 2 er rtert F r diese Testf lle sind Flu diagramme angefertigt und beschrieben um die Testabl ufe zu vereinfa chen Zudem sind die einzelnen Tests zu jedem Szenario im Anhang A 1 zu finden 6 1 Tests f r die Geb udeautomation Wie in der Einleitung beschrieben erfolgt der Test des Modells einer Batterie mit der OPC Schnittstelle in Matlab Simulink Hierf r werden die Schaltungen aus Kapitel 5 2 bernom men die die Grundlage f r diese Tests sind Zudem werden bei einigen Tests Parameter aus der Schaltung ver ndert damit die Resultate genauer zu betrachten sind 6 Test und Bewertung 68 6 1 1 berkapazit tskurve Zun chst muss die berkapazit tskurve ermittelt werden Die Ergebnisse sind in der folgen den Abbildung 6 1 zusehen Die Nutzung der Batterie als Puffer soll nur dann in Anspruch genommen werden wenn zu viel Strom im Geb ude produziert wird Die erste Kurve zeigt
68. erungsebene werden die ben tigten Datenpunkte zur Managementebe ne bzw zum Server oder Leitrechner gesendet Zuvor werden die Datenpunkte von den Sensoren und Aktoren in der Feldebene von dem Controller in der Automatisierungsebene abgerufen Diese Controller dienen zur Steuerung und Regelung der Anlagen in der Auto matisierungsebene Sie werden mit ben tigten Regeln ausgestattet und dienen zudem zur berwachung und k nnen Bereichs berschreitungen lokalisieren Diese Informationen wer den zun chst an die Managementebene weitergeleitet und dort ausgewertet bzw sp ter visualisiert Die meisten Anlagen im Energie Campus Hamburg werden zus tzlich ber 4 Entwurf 59 ihre eigene interne Regelung geregelt um eine berwachung zu erm glichen sind Control ler allerdings zur zus tzlichen Regelung der Anlagen notwendig Das Protokoll durch das die Anlage mit der Automatisierungsebene kommunizieren soll kann ber einen geeigneten Wandler in ein f r die Automatisierungsebene typisches Protokoll bersetzt werden Hierf r ist allerdings ein hoher programmiertechnischer Aufwand einzuplanen Bereits in den Con trollern werden Trenddaten mit Hilfe des BACnet Protokolls gespeichert und gegebenenfalls falls angefordert an die Managementebene zur Speicherung oder Visualisierung weiterge geben Um den Datenaustausch zu gew hrleisten sind die Controller und Wandler in der Automa tisierungsebene durch das BACnet Protokoll ber eine Ethern
69. es nach der Ab frage eingeleitet ber die Kontrolle der Solltemperatur der untersten Schicht im untersten Speicher wird gepr ft ob der Speicher weiter beladen werden soll oder bei Erreichen der Solltemperatur die Beladung der Speicher in Reihe gestoppt wird Danach erfolgt erneut die Abfrage ob die Beladung weiterer Speicher notwendig ist Wenn eine schnelle Beladung der Speicher ausgeschlossen wird werden die ausgew hlten Speicher die ihre Solltemperatur noch nicht erreicht haben gleichzeitig beladen Und dies wird solange durchgef hrt bis die ben tigten Speicher ihre Solltemperatur in der untersten Speicherschicht erreicht haben Danach erfolgt erneut die Abfrage ob die Beladung weiterer Speicher notwendig ist Ist die Beladung weiterer Speicher vonn ten beginnt der Kreislauf erneut mit der Abfrage ob eine parallele Beladung erfolgen soll 6 Test und Bewertung 72 m der genngsten Temperatur in der obersten Schicht Abbildung 6 4 Flussdiagramm f r den Heizkreislauf 6 Test und Bewertung 73 6 2 2 Testablauf f r die Beladung des Speichers mit der geringsten Temperatur Um zu gew hrleisten das die Beladung des im Heizkreislauf befindlichen Speichers mit der geringsten Temperatur in der obersten Speicherschicht bei einer schnellen Beladung zuerst erfolgt muss die Temperatur der Speicher die zur Beladung zur Verf gung stehen gemessen werden Ist der Speicher mit der geringsten Temperatur in der obersten Schicht gefun
70. etverbindung erreichbar Die Kommunikation im Entwurf f r die Automatisierungsebene findet mit Hilfe des BACnet Pro tokolls statt Dieses Protokoll eignet sich besonders f r diese Ebene da die besonderen Eigenschaften dieses Protokolls an dieser Stelle besonders zur Geltung kommen Durch die objektorientierte Struktur lassen sich Objekte wie eine Temperaturmessung einer Anlage zuordnen und direkt darauf zugreifen Zudem ist das BACnet Protokoll ein standardisiertes Protokoll f r die Geb udeautomatisierung in der Automatisierungsebene der Hochschule f r angewandte Wissenschaften F r die Anbindung der Anlagen denen ein BACnet Protokoll nicht zur Verf gung steht ist wie bereits im Kapitel 4 1 beschrieben ein Einsatz von Wandlern n tig Somit werden diese Anlagen in die BACnet Automatisierungsebene integriert Zus tzlich kann dar ber nachgedacht werden eine Zugangskontrolle und eine Video ber wachung an das System in der Automatisierungsebene anzugliedern Da dies aber von den Hausnutzern nicht gew nscht wurde ist dies auch nicht Bestandteil der Ausschreibungen f r das Bauprojekt Energie Campus Hamburg Das Geb ude soll dennoch eine Zugangs kontrolle erhalten allerdings nicht mit Hilfe des Geb udeautomatisierungssystems Die Zu gangskontrolle findet ber separate Kartenleseger te an den entsprechenden T ren statt die eine Sicherung vor unbefugten Zutritt gew hrleistet Diese Sicherheitskontrollen m ssen stattfinden da ei
71. g f r Speicher 2 6 ge ffnet Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur jedes einzelnen Speichers gestoppt Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur jedes einzelnen Speichers freigegeben W rmezufuhr durch BHKW O Temperatursensor Ke NZ NZ NZ E ZN ZN AN AN AN 50 51 52 54 55 Sp2 Sp3 Sp4 Sp5 Sp6 emm ER SE GER DOE R cklauf Abbildung A 1 hydraulische Verschaltung des Szenarios 1 A Hilfsmittel 85 Szenariotest 2 Wie in der Abbildung A 2 zusehen ist werden im Szenario 2 mit Hilfe der W rmepumpe die Speicher 2 6 parallel beladen Test 1 Ist die W rmepumpe bereit zum Beladen Test 2 Sind die Ventile 2 4 53 11 und 36 f r den parallelen Beladevorgang f r Speicher 2 6 ge ffnet Test 3 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur jedes einzelnen Speichers gestoppt Test 4 Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur jedes einzelnen Speichers freigegeben W rmezufuhr durch W rmepumpe O Temperatursensor Temperatursensor Abbildung A 2 hydraulische Verschaltung des Szenarios 2 A Hilfsmittel 86 Szenariotest 3 Wie in der Abbildung A 3 zusehen ist werden im Szenario 3 mit Hilfe des Blockheizkraftwerks die Speicher 4 6 in Reihe und Speicher 2 und 3 parallel beladen Test 1 Ist das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Test 2 Sind die Ventile 5
72. g kleiner als die Ein gangsspannung ist Das Modell RPCS 620 Q von der Firma Refu ist f r eine Leistung von 30 200 kW ausgelegt und zeichnet sich durch sehr hohe Strom und Spannungsgenauigkeit und geringe Spannungsripple aus 23 F r die Batterien wird ebenfalls eine Refu Batteriesystem zum Einsatz kommen Diese liegen im Bereich von 2 240 kWh und bestehen aus Lithium Eisen Phosphat Akkumulatoren Die se Batterien zeichnen sich durch hohe Zyklenfestigkeit kurze Ladezeiten und Wartungsfrei heit aus Dies wird durch das mitgelieferte Batterie Management System erm glicht 23 2 Anforderungen und Problemstellung 30 2 1 13 Ladeinfrastruktur ber die Versorgungseinheit der Speicherbatterie ist auch ein Anschluss eines Ladeger tes denkbar Dieses Ladeger t k nnte dann zum Beispiel ein Auto oder ein Fahrrad mit integriertem Akkumulator laden Die Ladeger te von Refu zeichnen sich durch kurze Lade zeiten durch eine gezielte Ladestromsteuerung und bertemperaturschutz aus 23 Es ist geplant einen BMW 3i oder einen Nissan Leave f r die Ladestation im Energie Cam pus Hamburg anzuschaffen Zudem w re es m glich f r Fahrr der ebenfalls eine Lade buchse zur Verf gung zu stellen 2 1 14 Windkraftanlage Die Windkraftanlagen f r den Energie Campus Hamburg werden in Gebiet Curslack aufge baut Es werden drei Windkraftanlagen mit einer H he von 180m aufgestellt Diesbez glich gab es Verz gerungen im Genehmigung
73. genen entwickelten Regelungsbausteinen der verschie denen Anlagen vor Heute m ssen auch Controller von anderen Anlagenherstellern in das System integriert werden k nnen Wenn beispielsweise unterschiedliche Bussysteme zwei er Anlagen miteinander kommunizieren muss zur Anbindung ein Protokoll eines Herstellers offenliegen damit eine Synchronisation stattfinden kann Allerdings war dies schwierig da ein Anlagenhersteller nur sehr ungern Firmeneigentum preisgibt Aus diesem Grund haben sich Bussysteme mit offenen Protokollen durchgesetzt die sich mit den Anlagen hersteller bergreifend verst ndigen k nnen 19 1 4 1 Normen in der Geb udeautomatisierung Eine Vielzahl von Anbietern mit herstellerspezifischen L sungen ist auf dem Markt der Ge b udetechnik jedoch haben nur wenige Bussysteme und Netze den Einzug in die Norm gefunden Abbildung 1 3 zeigt den Stand der Normung aus dem Jahr 2009 Standards BACnet EN ISO 16484 5 Standards BACnet EN ISO 16484 5 Profibus FIP EN 13321 KNX net IP Standards LON EN 14908 KNX EN 50090 ISO IEC 14543 Feldebene Abbildung 1 3 Genormte Bussysteme und Netze in der Geb udeautomatisierung 19 Europ ische Normen werden hierbei durch den Zusatz EN internationale Normen der Inter national Organization for Standardization Internationale Organisation f r Normung durch ISO und internationale Normen der International Electrotechnical Commission Internationa le elektrotechnisch
74. gespeichert werden Antwort Es gibt einen Leitrechner bei dem die wichtigsten Daten f r die Visualisierung gespeichert werden Wenn allerdings weitere Datenmengen gespeichert werden sollen bietet sich ein Server an Frage Kann eine oder wie wird eine OPC Schnittstelle implementiert Antwort Es ist m glich einen OPC Server einzurichten indem man zum Beispiel den Leit rechner als OPC Server verwendet Frage Entstehen weitere Kosten wenn das System in der Managementebene erweitert wird Antwort Es entstehen nur Kosten wenn die Datenpunkte ersch pft sind und eine Erweite rung der Datenpunkte n tig wird Ansonsten kann das System um weitere Teilnehmer in der Automatisierungsebene und Managementebene erweitert werden Frage Hat der Rechner f r die Forschungsanlagen das gleiche Protokoll wie der Leitrech ner Antwort Wenn ein Controller dazwischen geschaltet wird ist auch ein anderes Protokoll denkbar Sonst spricht die Managementebene ein einheitliches Protokoll Frage Wo k nnen unsere Anlagenmodelle auf dem Rasberry Pi in das System integriert werden Antwort Diese Implementierung muss in der Leitebene stattfinden da in der Automatisie rungsebene mit den Controllern vor den Anlagen ausgestattet sind Frage Wo finden die Programmierungen f r die Regelungen statt Antwort Die Programmierungen findet in den Controller statt Frage Wie k nnen unterschiedliche Protokolle in der Automatisierungsebene mit dem BAC net Protoko
75. gsmatrix 2 1 und 2 2 bereits gekl rt allerdings muss auch hier eine Anbin dung an die Automatisierungsebene und Managementebene ber ein geeignetes Protokoll geschaffen werden Dies kann ber Beispiele anderer Geb ude mit Leittechnik ersichtlich gemacht werden Eine weitere Fragestellung bietet die dezentrale Steuerung der Anlagen Wie k nnen wir direkt an einer Anlage arbeiten ohne dabei das Arbeiten im Geb ude durch eventuelle St rungen zu beeintr chtigen Zudem ist zu kl ren wie eine Resetfunktion im Leitrechner implementiert werden kann Die Problemstellungen sollten gekl rt und alle Anforderungen an die Geb udeautomatisie rung bzw Heiz und K hlkreislauf umgesetzt werden soweit dies m glich ist Dabei sind zum einen die Kosten zu ber cksichtigen zum anderen muss der Nutzer des Geb udes im Vordergrund stehen sodass ein Lehren und Forschen im Energie Campus Hamburg m g lich ist Auf Grundlage dieser Problemen und Fragen kann nun eine Technische Analyse erfolgen 3 Technische Analyse Um eine Technische Analyse aufzustellen ist eine Analyse der Problemstellungen aus den Anforderungen an das Geb udeautomatisierungssystem erforderlich Dabei werden alle Al ternativen f r das Problem erl utert In einer Gegen berstellung wird die geeignetste L sung des Problems f r die Geb udeautomatisierung des Energie Campus Hamburgs gekl rt und sp ter im Zuge des Entwurfs umgesetzt Bei der Suche von Alternativen gibt d
76. h Erreichen der oberen Speicher temperatur des Speichers 6 freigegeben A Hilfsmittel 89 MI REN m ne Je at BHKW 1 W rmezufuhr durch W rmepumpe O Kid ER Y FR ES Sp4 Sp5 Sp6 Sp5 Sp6 r gt INV R cklauf N Abbildung A 5 hydraulische Verschaltung des Szenarios 5 Szenariotest 6 Wie in der Abbildung A 6 zusehen ist wird im Szenario 6 mit Hilfe des Blockheizkraftwerks der Speicher 6 beladen w hrend die W rmepumpe Speicher 4 und 5 a parallel oder hier gestrichelt dargestellt b in Reihe bel dt Test 1 Ist das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Test 2 Ist das Ventil 55 f r den Beladevorgang von Speicher 6 ge ffnet Test 3 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur des Speichers 6 gestoppt Test 4 Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur des Speichers 6 freigegeben a W rmepumpe bel dt Speicher 4 und 5 parallel Test 5 Ist das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Test 6 Ist das Ventil 11 und 53 f r den parallelen Beladevorgang von Speicher 4 und 5 ge ffnet Test 7 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur jedes A Hilfsmittel 90 einzelnen Speichers von 4 und 5 gestoppt Test 8 Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur jedes einzelnen Speichers von 4 und 5 freigegeben b W rmepumpe bel
77. hlbedienung abgesichert sind Daniel Koppitz Title of the paper Conception for reliable and open developing interfaces for technical building equip ment of a research building Keywords Building automation Network protocol development interfaces Abstract This work includes the construction of a communication structure for the technical components for the Energie Campus Hamburg and the structure of development interfaces which are protected against incorrect operation Danksagung An dieser Stelle m chte ich mich zun chst bei Herrn Prof Dr rer nat Wolfgang Renz bedanken der es mir im Rahmen des Bauprojektes Energie Campus Hamburg Bergedorf erm glicht hat diese Arbeit zu schreiben und auch als Erstpr fer dieser Arbeit fungiert Weiterhin danke ich Herrn Dipl Ing Hans Sch fer f r seine Arbeit als Zweitpr fer und seine stete Bereitschaft mir mit fachlichen Rat zur Seite zu stehen Au erdem m chte ich mich bei Herrn Dipl Ing Hojat Zarif und Herrn Dipl Ing Matt hias K hl bedanken die stets eine Hilfe waren und mich tatkr ftig unterst tzt haben F r die Unterst tzung von Passau Ingeneure D sseldorf insbesondere Herrn Dipl Ing Baha Canpolat und Herrn Dipl Ing Dipl Wirt Ing Gerald Bernard sei an dieser Stelle ebenfalls gedankt Ein weiteres Dankesch n gilt der ganzen C4DSI Abteilung meinen Kommilitonen und Freunden Frau B Eng Julia Posselt Frau Dipl Soz p d Juliane Baumann Herrn Phili
78. hnik und kein weiterer Standard f r die Ger teverbindung Dies veranschaulicht die folgende Abbildung 1 4 2 Ft er CS MM 7 g u LEI m Archiver Spreadsheet Reports Web HMI Trending ERP d s DH Application H g e H H a ss sss DL 777777775 Di D emm OPC Client Device Abbildung 1 4 OPC Verbindung in einem Automatisierungssystem 18 Im Grunde genommen bedeutet es viel Aufwand eine Software in die Geb udeautomatisie rung anzupassen oder neue Komponenten in das Geb udeverwaltungssystem einzubinden Dies soll mit OPC minimiert werden denn es entfallen die beidseitigen Treiberprobleme da sich der OPC Server und der OPC Client zwischen der Datenquelle und dem Empf n ger befindet Dabei bersetzt der OPC Server die Sprache der Datenquelle und sendet die ben tigten Daten an den OPC Client OPC dient somit als Vermittlungsschicht die Daten von Ger ten Controllern und Anwendungen abruft ohne dabei auf die Protokollsprache angewiesen zu sein Der OPC Client ist f r die Visualisierung der ben tigten Daten ber eine Bedien und Beobachtungsger t verantwortlich Zus tzlich sind Anwendungen f r den OPC Client zu erwerben die bei Wartungszyklen Heizung L ftung Klimatechnik Beleuch tungssteuerung und Sicherheitstechnik unterst tzen Falls Ger te anderer Hersteller in das System integriert werden so ist dies ber eine Verbindung zu dem entsprechenden OPC Server herzustellen OPC Server gibt es f r
79. ich aus der mittleren Schicht zum Vorlauf f r den Heizkreislauf erfolgen W rmezufuhr durch BHKW W rmezufuhr durch W rmepumpe o F 12 Abbildung 2 2 hydraulische Verschaltung des Szenarios 7 2 Anforderungen und Problemstellung 44 2 4 Problemstellung Aus der F lle der Anforderungen die an das System gestellt werden kann eine Problem stellung er rtert werden womit dann eine Technische Analyse erfolgen kann Eine Problem stellung wird die Abgrenzung der Forschungsanlagen von der Geb udeversorgung sein Wie ist es m glich die Forschungsanlagen zu bedienen ohne dabei in die Geb udeversorgung einzugreifen Zus tzlich befinden sich Anlagen in der Versorgung die aber au erdem f r Forschungsaufgaben verwendet werden Wie ist eine Abgrenzung oder eine Kontrollfunktion m glich Daraus folgt ein weiteres Problem welches die Kommunikation zwischen dem Leit rechner und der Automatisierungsebene thematisiert Welches Protokoll ist geeignet um die Anforderungen zu erf llen Die Anbindung der Anlagen in das Kommunikationssystem stellt dabei den gr ten Aufwand dar denn die verschiedenen Hersteller haben unterschiedliche Protokolle f r die Anbindung der Anlagen in einem Automatisierungssystem So ist zu kl ren welches Protokoll in das System passt und mit allen zur Verf gung stehenden Anlagen kommunizieren kann Die Feldebene stellt dabei das geringste Problem dar Diese ist durch die Anforderun
80. ie Integration erneuer barer Energiequellen in die Geb udeautomatisierung findet immer mehr Anklang und wird im Zuge der Standardisierung weiter voran schreiten Dies kann nur von Vorteil sein da genauso der richtige Weg f r die Energiewende aussehen muss Integration erneuerbarer Energien in die Geb udeautomatisierung erm glicht die automatisierte Energieversorgung und Verteilung im Geb ude Wenn Sonne und Wind Strom liefern ist kein Strom aus dem Netz notwendig Wird zu viel Strom produziert kann er gespeichert oder ins Netz einge speist werden Steht mal keine Sonne und Wind zur Verf gung so wird der Strom aus dem Netz oder aus dem Speicher genutzt Dabei ist nicht das autarke Geb ude das Ziel sondern die effiziente Verteilung der Energie im Geb ude 7 2 Ausblick Um eine Blick in die Zukunft zu wagen m ssen Vorhersagen getroffen werden ob eine Nutzung des Geb udes nach den Vorgaben der Geb udenutzer und des Forschungsteams im Einklang miteinander m glich ist Mit der vorausgegangen Zusammenfassung l sst sich sagen dass das System nach den W nschen beider Parteien umsetzbar scheint Eine Um setzung der Anforderungen ist ebenfalls in vollen Umfang m glich Aber um wirklich alle An forderungen umzusetzen und vollst ndig zu implementieren m ssten Simulationen weiterer Anlagen eventuell auch im System stattfinden Damit ist eine Visualisierung m glicher Ein schr nkungen denkbar und somit ein Abarbeiten geeigneter Ma nahme
81. ilfe dieser k nnen ver schiedene Eigenschaften vorgesehen werden die den Anforderungen entsprechen Es ist m glich eine Funktion zur Systemr cksetzung zuschaffen Dies wird ber eine entsprechen de Programmierung und mit Hilfe des Servers bzw Leitrechners erm glicht Zudem k nnen Vorwahl Szenarien wie f r den Heiz und K hlkreislauf eingerichtet werden Die Szenarien werden im Kapitel 2 2 2 n her beschrieben Und entsprechend zu den Standardfunktionen eines Geb udeleitrechners sind Trendcharts Anlagengrafiken und Langzeitdatenbanken an wendbar Auf diese Daten k nnen mehrere Rechner gleichzeitig Zugriff erhalten Ein Server bzw Leitrechner besitzt beschr nkte Intelligenz sie scannen die Automatisierungsebene bzw die Controller die vor jeder Anlage sitzen und dienen zur Speicherung der Daten Die Daten werden f r den Nutzer ber den Leitrechner visualisiert Es wird zum Beispiel eine Temperatur nderung ber einen Datenpunkt wahrgenommen und mit den Bereichskriterien verglichen ist der neue Wert noch im vordefinierten Bereich l uft alles normal Liegt der Datenpunkt allerdings au erhalb des Bereichs wird der Controller dem Geb udeleitrechner die Priorit t geben Dieser wird versuchen mit den programmierten Automatismen bzw Regelungen in den vorher verlassenen Bereich zu kommen Danach wird eine erneute Freigabe f r den Forschungs und Entwicklungsrechner eingeleitet 4 2 Entwurf der Automatisierungsebene In der Automatisi
82. ine zentrale oder dezentrale Steuerung erfolgen Dabei ist eine zentrale Steuerung dadurch gekennzeichnet dass ein Leitrechner die gesam ten Regelungen und Steuerungen erm glicht Es gibt keine Instanz die eine Steuerung an den jeweiligen Anlagen zul sst ohne dass der Leitrechner benutzt werden kann Eine Dezentralit t zeichnet sich durch eine Steuerung direkt vor der jeweiligen Anlage aus wie im Entwurf von C4DSi 3 1 aufgezeigt wird Dabei kann eine Steuerung der Anlage erfolgen ohne dass der Leitrechner dar ber Informationen erh lt Aus diesem Grund w ren Schnittstellen die Folge die ber eine programmierte Regelung entscheidet welche Steuerung eine Priorisierung erh lt weil der Geb udeversorgung ebenfalls einen Zugang zu diesen Anlagen besitzt 3 Technische Analyse 51 Dar ber hinaus kann eine Dezentralit t geschaffen werden indem ein Server alle Daten punkte zentral sammelt und sogenannten dezentralen Rechnern in der Managementebene zur Verf gung stellt Diese Rechner k nnen ber den Server direkt auf die Steuerung einer Anlage zugreifen wie es in den Entw rfen von Honeywell und Siemens zu sehen ist Bei der Gegen berstellung der beiden Systeme ist zu sehen dass eine Dezentralit t Vorteile mit sich bringt Mit einer dezentralen Steuerung ist die Forschung einfacher zu erm glichen als mit einem zentralen Ansatz da Anlagen direkt ohne die Benutzung des Leitrechners zu steuern sind Allerdings sollte darauf gea
83. ingreifen Der Geb udeleitrechner bekommt Priori t t vor den Regelungen des Forschungsrechners um diese Grenzen wieder zu erreichen Bei dem Anlauf verschiedener Versuche entsteht ein Einschwingverhalten dem System ist es dabei nicht gestattet einzugreifen Zeitkonstanten im System sollten die auftretenden Grenzverletzungen im Einschwingverhalten minimieren bzw unterdr cken Zus tzlich dazu m ssen diese Grenzen vom Rechner f r die Forschungsanlagen angepasst werden k nnen um im Versuch die richtigen Bedingungen voraus zusetzen Allerdings sollte dies nicht bei sicherheitsrelevanten Grenzen m glich sein Da unterschiedliche Benutzer das System nutzen wollen und damit auch Schaden anrichten k nnen muss eine Zugriffskontrolle erfolgen Diese k nnte zum Beispiel verschiedene Benutzer in Klassen einteilen die bedingte Schreib und Nutzrechte haben Die Zugriffe in das System m ssen dokumentiert werden Sollte die Anforderung mit der direkten Steuerung der Anlagen ber einen separaten Rechner f r die Forschungsanlagen aus technischen Gr nden nicht m glich sein sind die vorherigen Anforderungen zu berpr fen ob und inwiefern dieses System die Anforderun gen erf llt 2 Anforderungen und Problemstellung 33 Die folgenden Anforderungen sind kein Muss es w re aber hilfreich wenn sie in der Planung und Ausf hrung umgesetzt werden Wie schon besprochen gibt es Anlagen die Zugriff von mehreren Rechner ben tigen dies sollte ber
84. ird der Druck er h ht und die Temperatur steigt weiter an Durch einen W rmetauscher wird die entstandene W rme f r den Heizkreislauf entnommen Das Expansionsventil baut den Druck nach der W rmeversorgung wieder ab und k hlt somit das K ltemittel Danach beginnt der Kreislauf erneut Mit den 8 Erdsonden ist eine Heizleistung von 3KW m glich Die Nutzung der re versiblen W rmepumpe als Umw lzpumpe ist ebenso gegeben Unter einer Umw lzpumpe versteht man dass das warme oder k hle Wasser in den Heiz bzw K hlkreislauf gepumpt wird und zugleich das jeweils r ckl ufige Wasser wieder f r die erneute Aufbereitung genutzt werden kann 3 2 Anforderungen und Problemstellung 26 2 1 5 Blockheizkraftwerk Das Blockheizkraftwerk ist ein wichtiger Bestandteil des Heiz und K hlkreislaufs im Geb u de Zudem ist es f r die Stromerzeugung im Energie Campus zust ndig die dabei anfal lende W rme am Generator wird ebenfalls f r die W rmeversorung im Geb ude genutzt Das Betreiben des Geb udekraftwerks hergestellt durch die Firma kraftwerk aus Hannover geschieht ber die Zugabe von Erdgas oder Fl ssiggas Zudem ist eine Zugabe von Kl r oder Biogasen denkbar Im Blockheizkraftwerk treibt ein 4 Zylinder Ottomotor mit 2261cm von Ford einen Generator an der die mechanische Energie in Strom umwandelt und die dabei anfallende Abw rme ber Plattenw rmetauscher f r die Geb udeheizung nutzt Der mit einen Luft Gas Gemisch ange
85. ischer Aufbau siehe Abbildung 3 3 eines Siemens Desigo Systems Inhalt der Gespr che gewesen Ein Protokoll des Telefonats befindet sich im Anhang A 2 Der bersicht halber werden die folgenden Topologien der verschiedenen Konzepte abge bildet Diese folgenden Konzepte und Erkl rungen sind Bestandteile der Telefonprotokolle Benutzerhandb cher und Datenbl tter von Honeywell und Siemens die sich im Anhang A 2 bzw A 3 befinden Im Folgenden werden die Ans tze f r die Problemstellungen und Anfor derungen dargestellt 46 3 Technische Analyse obejue anne yerypum emumpe unpuaba DUDA Ph Mm n ua 19UUYIOY LINDEN CINI NJ PHO ZOO ZHI Puma KSE D Uauutan UMUEZ PUN vassa uopfayy VAS VAJEYIS ue Ott PUN ueJosuag susgesbinaimeueny OI 1 1 e A N a gt a ZH EN WINY as i y yeq yeon aqg s adund Joynads obejue zy oyaa Joyuods 010Ud KD QULEM Kall sbunyn 01g E ch ch gt upya 10uJ va snqpo cu Ka BA ez ber Zei au KT e vi MAHE J9UYIY J9UYIY J9uuy PASOS IA EEE A E Ka ON EA UNO NUDE uy Suruarspewonespneqos unqwey sndwey 9 b19u3 Abbildung 3 1 Konzept Geb udeleittechnik C4DSI 3 Technische Analyse 47 Bedienstation Bedienstation Bedienstation Alarmdrucker Berichte Grafikdrucker Controller Controller a ar BE 2 3 SS Controller Controller Controller Abbildung 3 2 Typischer Aufbau eines Geb udeautomatisierungssystems der Firma Honey
86. isualisiert dargestellt Dieser kann vom Geb udeleit rechner nderungen wie zum Beispiel eine Temperaturanpassung vornehmen Haupts ch lich steht jedoch der Leitrechner zur Kontrolle bei eventuellen St rf llen in der Geb udever sorgung zur Verf gung Alarmsignale und St rmeldungen k nnen hier erfasst und gegebe nenfalls behoben werden Beispiele f r Netzwerkprotokolle in der Managementebene sind auch hier BACnet Profibus Modbus und IEC61850 1 Einf hrung 18 1 6 Kommunikation ber ISO OSI Referenzmodell Das ISO OSI Referenzmodell ist ein internationaler Standard ISO IS 7498 und beschreibt wie man geschichtete Protokolle bzw Regels tze zum Ablauf einer Kommunikation erstellen kann Weiterhin liefert es eine Beschreibung der Aufgaben die in den einzelnen Protokoll schichten zu implementieren sind 19 Dabei steht ISO f r International Organisation for Standardization Internationale Orga nisation f r Normung und OSI f r Reference Model for Open System Interconnection Referenzmodell f r die Kommunikation offener Systeme Kommunikationsprotokolle zwischen zwei Rechner werden typischerweise ber Schichten aufgebaut Diese Schichtung nennt man auch Protokoll Stack Jede Schicht bernimmt dabei Teilaufgaben f r die Kommunikation so durchlaufen die Daten beim ISO OSI Referenzmodell sieben Schichten Der Empf nger durchl uft die Schichten aufw rts und der Sender wie folgt Schicht 7 Anwendungsschicht Applicati
87. it W rme versorgt werden Die W rmepumpe kann die PCM Speicher parallel beladen w hrend das Blockheizkraftwerk die Speicher 4 6 in Reihe oder parallel bel dt Das Blockheizkraftwerk kann die PCM Speicher parallel beladen w hrend die W rmepumpe die Speicher 4 6 in Reihe oder parallel bel dt Die W rmepumpe kann die PCM Speicher parallel beladen w hrend das Blockheizkraftwerk den Heizkreis direkt mit W rme beliefert Analog muss das Blockheizkraftwerk die PCM Speicher parallel beladen w hrend die W rmepumpe den Heizkreis direkt mit W rme beliefert Die reversible W rmepumpe beliefert mit oder ohne der K ltemaschine Speicher 1 mit K lte Zudem kann die reversible W rmepumpe Speicher 1 und 4 6 in Reihe mit K lte beliefern w hrend die K ltemaschine ebenfalls Speicher 1 bel dt Anmerkung Entf llt da nur ein K ltespeicher ben tigt wird Au erdem kann die reversible W rmepumpe Speicher 1 und 4 in Reihe mit K lte versorgen w hrend die K ltemaschine ebenfalls Speicher 1 bel dt 2 Anforderungen und Problemstellung 41 Anmerkung Entf llt da nur ein K ltespeicher ben tigt wird Szenario 19 Die Umw lzpumpe beliefert die Speicher 1 und 4 6 in Reihe mit K lte Anmerkung Entf llt da nur ein K ltespeicher ben tigt wird Szenario 20 Die Umw lzpumpe beliefert nur Speicher 1 mit K lte Szenario 21 Auch ohne Speicher beliefert die reversible W rmepumpe den K ltekreis Szenario 22 Dies kann die Umw lzpump
88. ket e Int4 OPC Read Device Bucket e Reals Ladesteuerung f r Batteriemodell Lo a Read Steuerung Write Steuerung Abbildung 5 4 Steuerung der Batterie mit OPC Anbindung So k nnte eine Implementierung eines Modells in das Geb udeautomatisierungssystem aussehen Damit dieses Modell in die Steuerung der Geb udeautomatisierung des Energie Campus Hamburgs passt ist eine Umsetzung der Anforderungen f r diese Anlage Pflicht 5 Implementierung 65 Dies wird bei der Batterie durch Bereichseingrenzungen geschaffen die erst nach genaue ren Messungen und Angaben des Herstellers m glich ist Allerdings kann man im Vorfeld Bereiche bestimmen wie es im Kapitel 2 3 1 bereits erl utert wird Um ohne der zugrun deliegenden Kurven das System zu analysieren m ssen bestimmte Erfahrungskurven aus anderen Geb uden als Grundlage dienen Eine Implementierung von Bereichen in denen ei ne Ladung der Batterie erfolgt und wann es vom Geb udeleitrechner untersagt wird k nnte wie folgt aussehen Be Ladestom 0 Sech gt ot kleiner 25 Ladestom 1 ch E BHKW Kurve Group 1 TLK Solar BHKW y Tages lastk urve Tages lastkurve gibt es einen min Leistung berschuss Lestung Batterie gt beschr nkung nutzungsprofil AAA L Lt p Tages lsstprofil Abbildung 5 5 Batteriesteuerung mit Sicherheitsabfragen In dieser Abbildung 5 5 ist zu sehen dass zus tzlich zu der Batte
89. ldger te Die Feldger te k nnen Schalten Stel len Melden Messen und Z hlen und sind ber einen Feldbus miteinander verbunden Die Teilnehmer dieses Feldbusses werden auch als intelligent bezeichnet da sie die Bitinfor mationen ber Mikrocontroller senden 19 Ein Feldbus ist ein digitaler serieller Datenbus f r die Kommunikation zwischen Ger ten der industriellen Automatisierungstechnik wie z B Messeinrichtungen Reglern und speicher programmierbaren Steuerungen DIN EN 61158 DIN EN 61784 Typischerweise bertragen Feldbusse in kurzer Zeit nur wenig Bitinformationen Die Anfor derungen an den Feldbus sind somit die Bit bertragungsrate die m gliche Teilnehmeranzahl und die Leitungsl nge Wenn die Sensoren etwas erfassen messen oder z hlen werden diese Informationen an die n chsth here Ebene der Automatisierungsebene weitergegeben Falls diese Ebene oder die Managementebene Entscheidungen trifft werden die Aktoren aktiv Sie ffnen oder 1 Einf hrung 17 schlie en zum Beispiel ein Ventil oder schalten das Licht ein bzw aus Beispiele f r Feld busse in der Geb udeautomation sind KNX fr her EIB Europ ischer Installationsbus und LON Local Operating Network Lokal operierendes Netzwerk 1 5 2 Automatisierungsebene Die mittlere Ebene in der Geb udeleittechnik ist die Automatisierungsebene Hier sind die gesamten Anlagen der Geb udeversorgung verkn pft Um die Kommunikation untereinan der und z
90. le wie W rmetauscher im System der Anlage f r die W rmeversorgung genutzt werden ber ein Expansionsventil wird nun der bersch ssige Druck abgebaut damit die K hlung des K ltemittels erfolgt Nun gelangt das gek hlte K ltemittel wieder in den Verdampfungs und berhitzungsprozess Dabei wird die abgef hrte W rme des Geb udes wieder durch das K ltemittel gek hlt 3 2 1 4 Reversible W rmepumpe Die reversible W rmepumpe ist mit Unterst tzung des Blockheizkraftwerks f r die W rme versorgung im Geb ude zust ndig Zudem ist die W rmepumpe ein Bestandteil des K hl kreislaufes Mit Hilfe der geothermischen Nutzung von Erdsonden wird die W rmepumpe be trieben ber Erdbohrungen in 10m Tiefe werden die acht Erdsonden verlegt Eine Erdsonde besteht dabei aus 4 Kunststoffrohren die am unteren Ende ber zwei U Rohre verbunden sind Die Bohrungen werden mit Bentonit Zement Wasser Suspension verf llt damit eine gute W rmeleitf higkeit gew hrleistet wird und die Erdsonden gut gegen Wasser abgedich tet sind Das Funktionsprinzip der reversiblen W rmepumpe ist mit dem der K ltemaschine vergleichbar Zus tzlich zu dem K hlkreislauf siehe K ltemaschine Kapitel 2 1 3 kann der Heizkreislauf beliefert werden F r den Heizbetrieb wird die entstandene W rme aus der Sole genutzt die in den Erdsonden zirkuliert um ber einen W rmetauscher das K ltemittel im Heizkreislauf zu erhitzen bzw zu verdampfen Durch den Verdichter w
91. ll verbunden werden Antwort ber sogenannte Gateways die ein gegebenes Protokoll in ein ben tigtes Protokoll bersetzen Frage Ist eine Implementierung einer Resetfunktion m glich Antwort Ja auch dies muss an den Controllern erfolgen kann aber ber den Leitrechner als System geregelt werden Jeder Controller wird dabei mit einer separaten Resetfunktion ausgestattet Frage Wo k nnen Bereiche festgelegt werden die bestimmte Abstufungen bei den Rege lungen m glich machen Antwort Da die Controller frei programmierbar sind ist eine Implementierung in den Control lern vorgesehen Frage K nnen die Grenzen direkt an den Controllern verstellt werden Antwort Ja ber eine direkte Ansteuerung A Hilfsmittel 108 A 3 Benutzerhandb cher und Sonstiges Die bereits in dem Literaturverzeichnis angegebenen Benutzerhandb cher Datenbl tter und Leistungsverzeichnisse der Firmen Honeywell Kraftwerk Matrikon Refu Siemens BACnet und Passau Ingenieure werden auf Grund des erh hten Papierbedarfs auf DVD gebrannt und sind bei Prof Dr rer nat Wolfgang Renz einzusehen B Quellcode Die Matlab Simulink Dateien befinden sich auf DVD und sind bei Prof Dr rer nat Wolfgang Renz einzusehen Versicherung ber die Selbstst ndigkeit Hiermit versichere ich dass ich die vorliegende Arbeit im Sinne der Pr fungsordnung nach 816 5 APSO TI BM ohne fremde Hilfe selbstst ndig verfasst und nur die angegebenen Hilfs mittel benutzt
92. matisierungsanlagen hier ist eine Implementierung von Grenzen und Priorisierungen notwendig damit der Geb udeleitrechner bei Bereichsabweichungen automatisch eingreifen kann Zus tzlich ist eine Anpassung der Grenzen im System m glich darauf sollte aber nur geschultes Personal Zugriff haben Durch diese Bereichs nderungen kann es zu Besch digungen an Anlagen kommen wenn diese nicht durch entsprechende Abfragen geregelt werden Mit dem ersten Ansatz ist keine Priorisierung der Daten m glich da zwei Rechner gleich zeitig auf diese Anlage zugreifen Ist nur ein Zugang zum Controller vorhanden so ist eine Priorisierung der Daten m glich Die ankommenden Daten beim Entwurf von Honeywell wer den vom Server an den Controller bermittelt und dort wird ber eine eventuelle Priorisierung entschieden Eine Priorisierung und Bereichs berwachung findet durch die Programmie rung der Controller ber das eingesetzte Protokoll in der Automatisierungsebene statt Eine Einteilung der Alarme ist bereits ber BACnet f r drei verschiedene Alarmtypen geregelt Bei dem einfachen Alarm wird keine Benutzerinteraktion vorausgesetzt Der Standard Alarm hingegen verlangt eine Quittierung des Alarms und der erweiterte Alarm verlangt dar ber hinaus ein Zur cksetzen F r alle drei Alarmtypen k nnte eine berwachungsstruktur im plementiert werden wodurch eine Priorisierung ber BACnet zu implementieren ist Um automatisiert auf bestimmte Bereichs berschreitung
93. mmt entweder aus dem Stromnetz oder auch von den Anlagen die im Geb ude f r die Stromversorgung zust ndig sind 2 Anforderungen und Problemstellung 28 2 1 9 Photovoltaikanlage Die Stromgewinnung durch das Blockheizkraftwerk soll zus tzlich nach der Fertigstellung des Energie Campus Hamburg zu einem sp teren noch nicht geplanten Zeitpunkt durch eine Photovoltaikanlage auf dem Dach unterst tzt werden Zurzeit wird noch gepr ft welche Ausma e die Anlage einnehmen und ob es sich um eine netzgekoppelt oder eine Inselanlage handeln soll Eine netzgekoppelte Anlage wird zur Stromversorgung innerhalb des Geb u des genutzt ungenutzter Strom wird zudem in das Netz eingespeist Der Unterschied zur Inselanlage ist dass hier kein Anschluss an das Netz vorliegt Der ungenutzte Strom kann mit Hilfe einer Batterie gespeichert werden und zu einen sp teren Zeitpunkt zum Beispiel in der Nacht wenn keine Sonneneinstrahlung zur Verf gung steht genutzt werden 21 2 1 10 Elektrolyseur Bei einer Elektrolyse wird mit Hilfe des elektrischen Stroms eine chemische Reaktion aus gel st Dabei wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff nach folgender Formel gespalten DH EO Der Sauerstoff wird nicht weiter ben tigt und deshalb ber die Abluft an die Umwelt abge geben Der Wasserstoff hingegen wird auf dem Geb udedach in den daf r vorgesehenen Beh ltern gespeichert und gelagert Diese Wasserstoffbeh lter k nnen bei Bedarf zur Her st
94. mpus Hamburg miteinander kommunizieren m s sen bestimmte Bedingungen gekl rt sein Der Ansatz f r dieses Konzept war zuerst die wichtigsten Anforderungen aufzustellen um ein Forschen im Geb ude zu erm glichen Darunter sollte die standardisierte und automatisierte Geb udeversorgung nicht leiden Eine der wichtigsten Anforderungen ist dabei die Verbindung der verschiedenen Ebenen in der Geb udeautomatisierung Dabei spielen die Protokolle in den jeweiligen Ebenen eine besondere Rolle sie m ssen mit den beteiligten Anlagen in einer einheitlichen Sprache kommunizieren Zu beachten ist dabei das die Anlagen im Energie Campus Hamburg mit Protokollen vom Hersteller ausger stet sind bei denen eine Implementierung in die Automa tisierungsebene ohne bersetzung nicht m glich ist Daf r sind Wandler einzusetzen die das gegebene Protokoll vom Anlagenhersteller in das Protokoll der Automatisierungsebene wandeln In der obersten Ebene der Geb udeautomatisierung der Managementebene ist das System mit dem BACnet Protokoll und einer zus tzlichen Implementierung einer OPC Schnittstelle ausgestattet Dabei k nnen beide Arten nicht gleichzeitig genutzt werden W nschenswert w re es allerdings aber damit wird die einheitliche Protokollstruktur in der Managementebene gest rt und eine berwachung wird damit erschwert Allerdings ist es m glich zwischen Leitrechner und Rechner der Forschungsanlagen einen Controller zu schalten Diese Verbindung
95. n Speicher dazwischen Test 1 Ist die W rmepumpe bereit f r die Belieferung des Vorlaufs f r den Heizkreis Test 2 Ist das Ventil 57 f r die Belieferung des Vorlauf f r den Heizkreis ge ffnet 2 _ _ W rmezufuhr durch Y W rmepumpe Vorlauf klorem Abbildung A 8 hydraulische Verschaltung des Szenarios 8 Szenariotest 9 Wie in der Abbildung A 9 zusehen ist wird im Szenario 9 mit Hilfe des Blockheizkraftwerks der Vorlauf des Heizkreises direkt beliefert Es befindet sich kein Speicher dazwischen Test 1 Ist das Blockheizkraftwerk bereit f r die Belieferung des Vorlaufs f r den Heizkreis Test 2 Ist das Ventil 56 f r die direkte Belieferung des Vorlaufs f r den Heizkreis ge ffnet W rmezufuhr durch BHKW Vorlauf R cklauf Abbildung A 9 hydraulische Verschaltung des Szenarios 9 A Hilfsmittel 93 Szenariotest 10 Wie in der Abbildung A 10 zusehen ist wird im Szenario 10 mit Hilfe der W rmepumpe die PCM Speicher 2 und 3 parallel beladen w hrend das Blockheizkraftwerk Speicher 4 6 in Reihe bel dt Test 1 Ist die W rmepumpe bereit zum Beladen Test 2 Sind die Ventile 2 und 4 f r den parallelen Beladevorgang von Speicher 2 3 ge ffnet Test 3 Ist das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Test 4 Sind die Ventile 55 12 und 8 f r die Reihenbeladung von Speicher 4 5 und 6 ge ffnet Test 5 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur jedes einzelnen
96. n im Vorfeld m glich ist Das Anlegen eines Lasten und Pflichtenheftes erscheint eine gute Dokumentations schnittstelle zu sein in der alle n tigen Definitionen f r die Forderungen an die Installation der Geb udeautomatisierung erfasst werden k nnen Im Gro en und Ganzen stehe ich den Systemen aus der kommerziellen Geb udeautomati sierung positiv gegen ber Mit diesen Teilnehmern war eine fachliche Kommunikation m g lich und alle r umen falls n tig individuelle L sungen f r die Anlagenkommunikation f r den Energie Campus Hamburg ein Die Individualit t bezieht sich dabei auf die frei program mierbaren Controller in der Automatisierungsebene und auf die Server und Leitrechner in der Managementebene Literaturverzeichnis 1 ADPFR Arbeitskreis Der Professoren f r Regelungstechnik Digitale Geb udeautoma tion Springer 2004 ISBN 3540004696 2 BETTERMANN Thomas Anwendung von Microsoft Softwarestandards in der Automati sierungstechnik expert Verlag 2002 ISBN 3816921035 3 BoLL n Elmar Automation regenerativer W rme und K lteversorgung von Geb uden Vieweg Teubner 2009 ISBN 9783834803276 4 CC4E CC4E Energie Campus Hamburg http www haw hamburg de cc4e energie Campus bim Abruf 18 12 2013 5 Dawson Christian W Computerprojekte im Klartext Pearson Studium 2003 ISBN 3827370671 6 DRospowski Prof Dr Dr h c G nther Hrsg SCHOLZE STUBENRECHT Dr W Hrsg W
97. nd zusammenarbeiten Dabei ist zu beachten dass jede Anlage die ber den Rechner der Forschungsanlagen gesteuert wird eine dezentrale Intelligenz erh lt um diese Aufgaben zu erf llen Zukunftsweisend ist die Anforderung dass das gesamte Geb udeautomatisierungssystem erweiterbar sein soll Das hat zur Folge dass das System frei programmierbar ist Denn wenn eines Tages eine neue Anlage angeschafft wird muss sie sich problemlos in das bestehende System integrieren lassen Dabei ist davon abzusehen hohe Lizenzgeb hren f r eine Erweiterung der Software zuzahlen Eine sicherheitstechnische Anforderung muss das System zus tzlich vor eventuell auftre tenden Fehlern sch tzen Dies bernimmt die Resetfunktion die in das System einprogram miert werden muss um die Anlagen in einen vordefinierten Zustand zur ckzusetzen Die Resetfunktion soll sowohl bei einem Notfall ausl sen sowie bei einer manuellen Bet tigung durch den Benutzer Ein Notfall tritt ein wenn zum Beispiel die Raumtemperatur rapide unter oder ber die vordefinierten Temperaturgrenzen l uft Durch den Reset wird dann wieder f r eine behagliche Temperatur im Geb ude gesorgt Solange definierte Grenzen eingehalten werden und die Resetfunktion nicht ausgel st wird kann eine Steuerung der Forschungsanlagen erfolgen Dabei muss ausgeschlossen werden dass der Geb udeleitrechner eingreift Wenn definierte Grenzen ber bzw unterschritten werden muss der Geb udeleitrechner e
98. ne erm glichen Dabei sind die Zugriffsrechte dieser Rechner im Vorfeld zu kl ren damit Fehlbedienungen unterbunden werden Eine weitere wichtige Aufgabe der Bachelorarbeit war die Umsetzung wie die Rechner in der Managementebene kommunizieren Wird es ein Leitrechner geben ber den alle Steuerungen auch die der Forschungsanlagen laufen Dabei war zu ber cksichtigen das die meisten Regelungen in der Automatisierungsebene mit den Controllern erfolgt Damit ist nur eine Steuerung in der Managementebene m glich Diese Steuerung wird in der Geb u deautomatisierungsindustrie ber verteilte Systeme gel st Das hei t dass jeder Rechner individuell seinen Bed rfnissen angepasst werden kann Meistens stehen die Daten ber einem Server oder dem Leitrechner zentral f r alle weiteren Rechner zur Verf gung Dabei k nnen die Rechner individuelle Zugriffsrechte bzw Steuerungsm glichkeiten erhalten Um dieses Konzept f r die Geb udeautomatisierung f r den Energie Campus Hamburg umzusetzen sind im Vorfeld Simulationen n tig die Aufschluss geben ob die Anforderung umgesetzt werden k nnen In Zusammenarbeit mit Matthias K hl ist in Folge dessen ein exemplarisches Modell f r eine Batteriebenutzung f r den Energie Campus Hamburg entstanden Dieses Modell ist mit einer Steuerung ausgestattet damit eine Implementierung einer Regelung erfolgen kann Die Steuerung bernimmt dabei die Funktion Laden wenn Strom anliegt In der d
99. nige R ume ber gef hrliche Peripherie verf gen und um den Schutz der Daten zu gew hrleisten Weiterhin ist eine Nutzung des Systems ber das Internet optional angedacht hierbei wird mit Hilfe eines VPN Routers auf die Automatisierungsebene zugegriffen So kann das Forschungs Entwicklungs Wartungs und Servicepersonal von einem Rechner au erhalb des Geb udes oder direkt an den Anlagen einen Zugang zur Automatisierungsebene erhal ten Bei dem Entwurf ist ein Zugriff zu den Anlagen f r Forschungs und Entwicklungsper sonal eher ber den Server bzw Leitrechner geeignet sonst werden Kontrollfunktionen des Servers au er Kraft gesetzt Allerdings k nnte das Service und Wartungspersonal einen direkten Zugang zur Automatisierungsebene erhalten Im Entwurf Abbildung 4 1 sind farbige Punkte an den Anlagen zu sehen Diese Sensor und Aktortechnik wird jeweils f r die genauere berwachung des Systems ben tigt Die Sensor daten k nnen f r eine Analyse verwendet werden um das System optimal zu berwachen 4 Entwurf 60 Dabei werden die Sensoren und Aktoren nicht ber die CPU der Anlage gesteuert sondern erhalten ber einen gesonderten Controller Anschluss an die Automatisierungsebene 4 3 Entwurf der Feldebene In der Feldebene sitzen die entsprechenden Sensoren und Aktoren mit denen die Anlagen berwacht gesteuert und geregelt werden Diese Technik ist entweder in der Anlage direkt vorgesehen und kann mit Hilfe der CPU direk
100. on Funktionen f r die Anwendungen zur Verf gung stellen Verbindung zu den unteren Schichten aufbauen Dateneingabe und ausgabe Schicht 6 Darstellungssschicht Presentation Daten in Codecs und Formate umwandeln Daten von Anwendungsschicht in geeignetes Format umwandeln Schicht 5 Kommunikationsschicht Session Verbindung zwischen Endsystemen organisieren Steuerungs und Kontrollmechanismen f r die Verbindung und dem Datenaustausch Schicht 4 Transportschicht Transport Bindeglied zwischen transportorientierten und anwendungsorientierten Schichten Datenpakete einer Anwendung zuordnen Schicht 3 Vermittlungsschicht Network zeitliche und logische getrennte Kommunikation zwischen Endger ten steuern logische Adressierung der Endger te Schicht 2 Sicherungsschicht Data Link zuverl ssige und funktionierende Verbindung zwischen Endger t und bertragungsmedi um Funktionen zur Fehlererkennung Fehlerbehebung und Datenflusskontrolle enthalten 1 Einf hrung 19 physikalische Adressierung von Datenpaketen Schicht 1 Bit bertragungsschicht Physical elektrische mechanische und funktionale Schnittstelle zum bertragungsmedium definie ren F r das Internet und die dezentralen Netzwerke ist das TCP IP Referenzmodell das in vier Schichten aufgebaut ist zust ndig Bei diesem Modell werden die Schichten sieben bis f nf vom ISO OSI Referenzmodell in einer Anwendungsschicht zusammengefasst
101. ovoltaikanlage o nn 11 11 12 13 14 15 16 16 17 17 18 19 20 20 21 21 22 Inhaltsverzeichnis 6 2 1 10 Elektrolysaur EE 28 2 1 11 Methanisierungsanlage 29 2 1 12 Speicherbatterie 29 2 1 13 Ladeinfrastruktur ig E e E EE AC 30 2 1 14 Windkraftanlage ica A AAA 30 2 2 Anforderungen a Ser A A A 31 2 2 1 Anforderungen an die Geb udeautomatisierung 31 2 2 2 Anforderungen an die hydraulische Schaltung des Heiz und K hlkreis l ules 2er oe ee ee EE 38 2 3 Erl uterung der Anforderungen an Beispielen 42 2 3 1 Beispiel f r de Geb udeautomatisierung 42 2 3 2 Beispiel f r den Heiz und K hkkreislauf 42 2 4 Prablemstellang 2a 82 222 ass er ee 44 3 Technische Analyse 45 3 1 Abgrenzung der Forschungsanlagen 2 m nn 48 3 2 Kommunikation in der Managementebene 49 3 3 dezentrale oder zentrale Steuerung 50 3 4 Kommunikation in der Automatisierungsebene 51 3 5 berwachungsstr ktur al da dados ds bd dad 52 3 6 Kommunikation in der Feldebene 53 4 Entwurf 55 4 1 Entwurf der Managementebene 57 4 2 Entwurf der Automatisierungsebene aoaaa a a 58 4 3 Entwurf der Feldebene e aoaaa o a a Er an 60 5 Implementierung 61 Sl MONRONING a2 e E Ne ee E ee Kate 61 5 2 Modellerstellung oe 2 mr Senke een nee ne 62 6 Test und Bewertung 67 6 1 Tests f r die Geb udeautom
102. pp Schiepel Herrn Sascha Scholly und Herrn B A Max Bussiliat die mir stets mit guten Ratschl gen zur Seite standen Ein ganz besonderer Dank gilt meiner Familie die mir dieses Studium erm glicht haben Inhaltsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis 1 2 Einf hrung det EiNlEIUNG 2 03 e A Ge ee ee ee A AA aai 1 22 MOVIE Aa st gen Ee o O OD er ee al Ed 1 3 Aufgabenstellung 2 3 32 2 Ze 2 8 a AAA a 1 4 gt Stand der technik s bosta trad ern Ernie wb 1 4 1 Normen in der Geb udeautomatisierung 1 5 Struktur in der Geb udeleittechnik 2 2 Hmmm nn 1 5 1 1 5 2 1 5 3 Feldebene iia a a a ais Automatisierungsebene 2 2 2 m En nn Managementebene 1 6 Kommunikation ber ISO OSI Referenzmodell 1 7 Kanalzugriffsverfahren 0 3 2 4 8 rl ee E 1 8 Netzwerkprotokolle 0 oe e ee E OE aa 1 8 1 1 8 2 1 8 3 1 8 4 Beie el Goza rn o e er re een KN a a o ls seed dra BACNET ge 4 8 dE Re ec e rn e ae Ee ER A STE E a EN Anforderungen und Problemstellung 2 1 Anlagenportfolio o oo A es 2 1 1 2 1 2 2 1 3 2 1 4 2 1 5 2 1 6 2 1 7 2 1 8 2 1 9 Sicherheitssysteme Hydraulik und Heizfl chen ee dra 228 2 4 K ltemaschine Reversible W rmepumpe Bl ckheizkraftwerk 5 2 27 2 2 0 a L ftungsanlage e acia erste Dean er sl Heiz bzw K hlspeicher sa ia Fer here Heizstabe 4 e u 2 a da de dle abre er Phot
103. r Zugriff auf die Anlagen der Geb udeversorgung Deshalb ist f r eine Schnittstelle zu sorgen die berwacht was der Forschungsrechner steuert und dann eine Priorisierung des Geb udeleitrechners stattfindet wenn es zu Bereichs berschreitungen durch den Forschungsrechner kommt Dieser Ansatz wurde mit dem Entwurf des C4DSI 3 1 im Vorfeld der Planung des Systems umgesetzt Ein weiterer Ansatz wurde von der Firma Honeywell entwickelt und ist in Abbildung 3 2 dargestellt Bei diesem Ansatz werden alle Anlagendaten auf einen EBI Server gespeichert und auf Anfrage an die beteiligten Rechner verteilt Es handelt sich hierbei um ein verteiltes System in dem ein Server hier EBI Server zur Verf gung steht und ein Client zum Beispiel der Leitrechner die Daten abrufen kann Um Zugriffsrechte zu wahren sollte stets ein Rechner f r das Forschungspersonal zur Verf gung stehen Auf diesem Rechner ist eine Visualisierung der Forschungsrelevanten Steuerungen denkbar die auf dem Leitrechner ausgeblendet werden k nnen Ein dritter Ansatz stammt von Siemens Hierbei handelt es sich ebenfalls um ein stan dardisiertes System f r die Geb udeautomatisierung Die Daten werden nicht auf einem zentralen Server gespeichert sondern direkt auf dem Leitrechner Dort werden die Daten visualisiert und gegebenenfalls an einen weiteren Rechner Forschungsrechner weiter gegeben Zus tzlich k nnte ein Server zur Datenspeicherung in der Managementebene eingesetzt werden Auf
104. rhersteller vorge geben Auf dieser Grundlage ist ein geeigneter Controller zu implementieren sodass dieser mit der Automatisierungsebene kommuniziert Die Anlagen in der Automatisierungsebene haben eine zus tzliche interne Sensor und Aktortechnik Steuerung Auf diese Daten wird intern zugegriffen und gegebenenfalls ber das jeweilige Protokoll in der Automatisierungs ebene an die Managementebene weitergegeben Diese ben tigen keine eigens angebrachte Kommunikationsschnittstelle durch ein Protokoll in der Feldebene 4 Entwurf In diesem Kapitel soll n her auf das analysierte Systemkonzept eingegangen werden Dazu werden die Erkenntnisse die aus der Analyse gewonnen wurden in einem Entwurf f r die Geb udeautomatisierung umgesetzt In der Analyse wurden bereits die Probleme bearbei tet die bei den Anforderungen f r das Konzept f r die Geb udeautomatisierung des Energie Campus Hamburg entstehen k nnten Dabei wurden die Ans tze mit dem aktuellen Stand der Technik verglichen Es wurden Konzepte der Firma Honeywell und Siemens dem Entwurf vom C4DSI gegen bergestellt In der Abbildung 4 1 wird die Topologie des Entwurfs f r das Geb udeautomatisierungskon zept dargestellt Es werden die verschiedenen Ebenen der Geb udeautomatisierung gra fisch dargestellt Dieses Konzept ist aus der technischen Analyse entstanden In den fol genden Kapiteln werden diese Ebenen genauer betrachtet und erl utert warum sie f r das Konzept ausgew
105. riesteuerung in dem die La debegrenzung festgelegt wird ein Tagesnutzungsprofil f r die Batterieladung und eine Leis tungsbeschr nkung hinzukommen Zuerst ist eine Addition der Solaren Leistungsversorgung der Photovoltaikanlage und der Energieleistungsproduktionskurve des Blockheizkraftwerkes n tig Das Ergebnis dieser Berechnung wird nun mit der Tageslastkurve eines B rogeb u des subtrahiert Daraus ergibt sich die Leistung die zur Verf gung steht um m glicherweise eine Batterie zu laden Psotar Paukw Prag Prag Prragesisse PJeberschuss Wenn nun die Leistung der berlast gr er Null ist kann die Batterie geladen werden Falls sie kleiner oder gleich Null ist findet keine Ladung der Batterie statt tegt gt 0 gt PBattLadung gt 0 PJeberschuss lt Hz PBattLadung 0 Zus tzlich k nnte hier noch eine Abfrage eingef gt werden ob Anlagen im Geb ude priori 5 Implementierung 66 siert Energie ben tigen sodass die Batterie erst nach dieser Freigabe geladen werden kann Eine weitere implementierte Abfrage ist die Leistungsbegrenzung die besagt dass die Bat terie erst geladen wird wenn eine bestimmte Leistung der berkapazit t vorhanden ist In dem Steuerungsmodell Abbildung 5 5 ist eine minimale Leistungsbegrenzung von 2 5kW vorgegeben Damit wird die Batterie erst geladen sobald eine Leistung von 2 5kW zur Ver f gung steht Wenn die Leistung darunter bleibt kann die Energie anderweitig im Geb ude genut
106. rio 15 mit Hilfe des Blockheizkraftwerks die PCM Speicher 2 und 3 parallel beladen w hrend die W rmepumpe den Heizkreis direkt mit W rme beliefert Test 1 Ist das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Test 2 Sind die Ventile 50 und 51 f r den parallelen Beladevorgang von Speicher 2 3 ge ffnet Test 3 Ist die W rmepumpe bereit Test 4 Ist das Ventil 57 f r die direkte Belieferung des Vorlaufs f r den Heizkreis ge ffnet Test 5 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der oberen Speichertemperatur jedes einzelnen Speichers gestoppt Test 6 Wird der Vorlauf zum Heizsystem nach Erreichen der oberen Speicher temperatur jedes einzelnen Speichers freigegeben W rmezufuhr durch W rmepumpe W rmezufuhr durch BHKW O Vorlauf R cklauf Abbildung A 15 hydraulische Verschaltung des Szenarios 15 A Hilfsmittel 99 Szenariotest 16 Wie in der Abbildung A 16 zusehen ist wird im Szenario 16 mit Hilfe der reversiblen W rme pumpe und optional mit der K ltemaschine der K ltespeicher 1 mit K lte beladen Test 1 Ist die reversible W rmepumpe und optional die K ltemaschine bereit zum Beladen Test 2 Sind die Ventile 30 und 42 f r den Beladevorgang von Speicher 1 ge ffnet Test 3 Wird der Beladevorgang nach Erreichen der unteren Speichertemperatur vom Speicher 1 gestoppt Test 4 Wird der Vorlauf zum K hlsystem nach Erreichen der unteren Speicher temperatur des Speichers 1 freigegeben el d
107. ristof Geb udeautomation Hanser 2010 ISBN 9783446421523 20 POENICKE Klaus Wie verfa t man wissenschaftliche Arbeiten Duden 1988 ISBN 3411027517 21 QUASCHNING Volker Regenerative Energiesysteme Hanser Verlag 2011 ISBN 9783446427327 22 REBHAN Eckhard Energiehandbuch Gewinnung Wandlung und Nutzung von Energie Springer Verlag 2002 ISBN 354041259X 23 REFU Refu Elektronik Datenbl tter Refu Datenblatt 24 SIEMENS bersicht Desigo Geb udeautomatisierungssystem http www has sbt siemens com gip general dic data assets hq Desigo Gebaeudeautomationssystem Systembeschreibung_A6V10407578_hq en pdf Abruf 24 01 2014 25 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Geb udesicherheit und Geb udeautomation VDI Verlag 2000 ISBN 3180915145 26 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Vernetzte Automation in der Geb udeautomatisie rung VDI Verlag 2002 ISBN 3180916397 27 WALTER Klaus Dieter Messen Steuern und Regeln per Internet Franzis 2003 ISBN 3772342806 28 WENDZEL Steffen Tunnel und verdeckte Kan le im Netz Springer 2012 ISBN 9783834821430 A Hilfsmittel A 1 Szenariotests Szenariotest 1 Wie in der Abbildung A 1 zusehen ist werden im Szenario 1 mit Hilfe des Blockheizkraftwerks die Speicher 2 6 parallel beladen Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 Ist das Blockheizkraftwerk bereit zum Beladen Sind die Ventile 50 51 52 54 und 55 f r den parallelen Beladevorgan
108. rungsanlage Die Methanisierung ist eine chemische Reaktion bei der mit Hilfe von Kohlendioxid und dem aus der Elektrolyse gewonnenen Wasserstoffes nach folgender Form Methan produziert wird CO AH CH 2H O Ein Nebenprodukt ist das Wasser was an de Umwelt abgegeben werden kann F r die Reaktion ist allerdings ein Temperaturintervall von 300 700 C n tig Da diese Technik sich noch in der Entwicklung befindet sind hier noch keine Anlagen beschafft bzw in Betracht gezogen worden 22 2 1 12 Speicherbatterie Damit die Speicherbatterie im Haus geladen und Energie ins Netz speisen kann bedarf es einer Versorgungseinheit und eines Gleichstromstellers Die Versorgungseinheit bildet aus dem Drehstromnetz einen Gleichstrom Zwischenkreis damit kann eine Netzeinspeisung un gesteuert erfolgen Das Modell RPCS 620 S von der Firma Refu ist f r einen Leistungsbe reich von 45 300 kW ausgelegt und zeichnet sich durch einen Leistungsfaktor von nahezu 1 aus das hei t dass sich die Gesamtblindleistung reduziert und Energiekosten eingespart werden Zudem werden durch die Versorgungseinheit die Oberschwingungen entfernt wo durch andere elektronische Bauteile im Geb ude gesch tzt werden 23 Ein Gleichstromsteller verschiebt die Energie von einem Gleichspannungspotenzial auf ein anderes F r den Energie Campus wird ein Zweiquadrantensteller gekauft Ein Zweiqua drantensteller ist ein Tiefsetzsteller bei dem die Ausgangsspannun
109. slauf 2222 2 2 CE En nn 74 Flussdiagramm Versorgung eses 2054 He er 76 hydraulische Verschaltung des Szenarios 1 84 Abbildungsverzeichnis 10 A 2 hydraulische Verschaltung des Szenarios2 85 A 3 hydraulische Verschaltung des Szenarios3 86 AA hydraulische Verschaltung des Szenarios4 87 Ab hydraulische Verschaltung des Szenarios5 2 2 rn nn 89 AG hydraulische Verschaltung des Szenarios6 90 A 7 hydraulische Verschaltung des Szenarios 7 2 2 nun 91 A 8 hydraulische Verschaltung des Szenarios8 2 2 nn nn 92 A 9 hydraulische Verschaltung des Szenarios9 92 A 10 hydraulische Verschaltung des Szenarios 10 93 A 11 hydraulische Verschaltung des Szenarios 11 94 A 12 hydraulische Verschaltung des Szenarios 12 95 A 13 hydraulische Verschaltung des Szenarios 13 96 A 14 hydraulische Verschaltung des Szenarios 14 97 A 15 hydraulische Verschaltung des Szenarios 15 o 98 A 16 hydraulische Verschaltung des Szenarios 16 99 A 17 hydraulische Verschaltung des Szenarios 20 100 A 18 hydraulische Verschaltung des Szenarios 21 101 A 19 hydraulische Verschaltung des Szenarios 22 nennen 102 A 20 hydraulische Verschaltung des Szenarios 23 103 A 21 hydr
110. stem erfolgen Volumenstrommesser sind ein wichtiges Hilfsmit tel um die Volumenstr me in der L ftungsanlage zu messen und zu bewerten Au erdem ben tigt das Heiz und K hlsystem eine Ansteuerung der Ventile f r die Be und Entladung der Speicher Zus tzlich m ssen W rmemengen f r zum Beispiel die Heizfl chen gemessen werden damit eine Aussage getroffen werden kann wie viel W rme sich im System befindet Daf r wird zus tzlich auch die Durchflussmenge gemessen Mit dieser Messung k nnen die Durchfl sse in den Rohren bestimmt werden 5 Implementierung Die Durchf hrung einer Implementierung des Konzeptes im Geb ude ist zum Zeitpunkt der Bearbeitung der Bachelorarbeit nicht m glich da sich das Geb ude nach der Planungspha se im Bau befindet Allerdings sind im Vorfeld einige Tests m glich die Auskunft geben ber die Kommunikationsf higkeiten einzelner Schnittstellen Eine Simulation einer OPC Verbin dung ber das Client Server Verhalten ist dabei ein Merkmal was untersucht wird Eine Im plementierung des Heiz und K hlkreislaufes wird in dieser Arbeit nicht ber cksichtigt da dieses ohne verf gbare Modelle nicht getestet werden kann Allerdings ist hierf r ein Testa blauf im n chsten Kapitel erl utert Zudem ist im Vorfeld eine Vereinbarung ber eine Monito ring berwachung des Systems denkbar damit ist eine M glichkeit gegeben das System zu berwachen bzw die aktuellen mit den erwarteten Messwerten zu verglei
111. stemen ausgestattet und ber einen Leitrechner visualisiert Diese gew hrleisten den reibungslosen Betrieb der einzelnen Anlagen Die Kommunikation erfolgt hierbei ber Bussysteme und Computernetze Der Energieverbrauch wird optimiert und ein wirtschaftlicher Einsatz von Betriebsmitteln erm glicht 19 1 3 Aufgabenstellung Die Einbindung der technischen Komponenten im Energie Campus Hamburg in die Ge b udeautomatisierung entsteht durch eine Vernetzung der verschiedenen Ebenen Diese Ebenen werden als Feldebene Automatisierungsebene und Managementebene bezeichnet Die Abbildung 1 2 zeigt einen ersten berblick des Schemas der Vernetzung der Anlagen ohne sie dabei in Ebenen einzuteilen Eine Aufgabe wird die Suche nach einem geeigneten Netzwerkprotokoll f r den Leitrechner sein welches sich in das Geb udeleitsystem integrieren l sst Da sich Entwicklungsanlagen im Geb ude befinden die ber eigene Automatisierungsprotokolle verf gen liegt ein Haupt augenmerk auf der Aufgabe die unterschiedlichen Netzwerkprotokolle ber Schnittstellen miteinander zu verbinden Bei Entwicklungsaufgaben an den Anlagen im Technologiezentrum Energie Campus Hamburg kann es zu St rungen in der Geb udeversorgung kommen allerdings sollte das Arbeiten Forschen und Entwickeln in dem Geb ude davon keine Beeintr chtigung haben Deshalb muss der Leitrechner f r eine Priorit t der Geb udeversorgung sorgen wenn es zu einer St rung oder einer B
112. stetig an 19 In der Bachelorarbeit soll ein Konzept entwickelt werden dass die verschiedenen Anlagen im Energie Campus Hamburg miteinander vernetzt Dabei soll zus tzlich ein Zugang f r Ingenieure geschaffen werden der mit Sicherheitsmechanismen eine behagliche Nutzung des Geb udes und einen stabilen Betrieb gew hrleistet Dieses Konzept wird in Kooperation mit dem Beratungsunternehmen f r Geb udeplanung Passau Ingenieure und der HAW Hochschule f r angewandte Wissenschaften Hamburg C4DSI Center for Demand Side Integration entwickelt 1 Einf hrung 12 1 2 Motivation Die Energiewende ist in aller Munde und die regenerativen Energiequellen werden weiter gef rdert Deshalb ist mit einem weiteren Anstieg der Preise f r die Verbraucher zu rechnen Genau aus diesem Grund ist der vern nftige Umgang und das Einsparen von Energie ein wichtiger Eckpfeiler der Energiewende Um dies zu erreichen haben die Vernetzungen von Energiegewinnungsanlagen an Bedeutung gewonnen Denn wenn an einem Standort keine Sonne und Wind zur Verf gung stehen ben tigt der Verbraucher trotzdem Energie Zum einen kann bersch ssige Energie von einem Standort zum n chsten geleitet werden zum anderen kann diese bersch ssige Energie aber auch am Standort gespeichert und an Zeitpunkten mit wenig Energie bereitstehen Dies wird heutzutage ber Pumpspeicher kraftwerke realisiert allerdings ben tigt man hierf r gro e H henunterschiede un
113. stimmten Temperatur in den Heiz bzw K hlkreislauf abgeben k nnen Zur zus tzlichen Erw rmung des Heizwassers sind die Speicher mit Heiz st ben ausgestattet Zudem ist f r die Beladung der Speicher die Hydraulik ein wichtiger steuerbarer Faktor im System An das System sind die ben tigten Heizfl chen angeschlos sen Dazu geh ren die Heizk rper in den R umen sowie die Betonkernaktivierung in der De cke F r den K hlkreislauf ist zus tzlich zur reversiblen W rmepumpe eine K ltemaschine zur Unterst tzung vorgesehen Die nun folgenden Anlagen dienen zus tzlich zu den bereits aufgef hrten Anlagen der Forschung und Weiterentwicklung neuer Speicherkonzepte wie zum Beispiel die Umwandlung von Strom in Gas Daf r werden eine Elektrolyseanlage und eine Methanisierungsanlage angeschafft Zudem ist eine Batterie und eine Ladeinfrastruktur f r Elektrofahrzeuge vorgesehen Sogar eine Anbindung an das Windlabor ist vorgesehen Dieses Labor forscht und entwickelt im Bereich der Windenergie und hat einen direkten Zu gang zu den drei geplanten 180m hohen Windkraftanlagen im Einzugsgebiet In den folgen den Kapiteln werden die ben tigten Anlagen vorgestellt 2 Anforderungen und Problemstellung 24 2 1 1 Sicherheitssysteme Zu den Sicherheitssystemen geh ren zum einen die Brandmelde und Brandbek mpfungs systeme Einbruchmeldesysteme sowie Schlie anlagen Im Energie Campus Hamburg werden Sprinkleranlagen und Brandschutzklappen
114. sverfahren da Anwohner die H he der Anlagen auf 100m beschr nken wollten Allerdings sind Windkraftanlagen dieser H hen schon weitrei chend erforscht und w rden keine neuen Erkenntnisse f r den Energie Campus bringen Der Einspruch der Anwohner ist abgelehnt worden und so kann nun der Bau der 180m ho hen Windkraftanlagen beginnen Diese Anlagen sind viel h heren Windgeschwindigkeiten und weniger Turbulenzen ausgesetzt und k nnen damit einen gr eren Forschungsumfang leisten Eine Windkraftanlage entzieht durch die Rotorbl tter der bewegten Luft einen Teil der Str mungsenergie dieser wird in eine Rotationsenergie umgewandelt Die Rotationsenergie wird ber den mechanischen Triebstrang an den Generator berf hrt und in das Versorgungsnetz eingespeist 21 2 Anforderungen und Problemstellung 31 2 2 Anforderungen Um die Bed rfnisse der verschiedenen Parteien zu erf llen m ssen bestimmte Anforderun gen an alle Teilnehmer gestellt werden Diese Anforderungen werden in sogenannte Lasten und Pflichtenheften eingepflegt Die Parteien sind zum einen die HAW Hamburg die in dem Geb ude ihre Lehrveranstaltungen durchf hrt und einige B ror ume nutzt Zus tzlich wer den f r ffentlichkeitsarbeit Rundg nge stattfinden um f r die Akzeptanz der Erneuerba re Energien zu werben Eine weitere Partei ist die HAW interne Abteilung C4DSI die die Forschung und Entwicklung in dem Geb ude leiten wird Sie stellt gewisse Anfor
115. t an den Controller in der Automatisierungsebe ne gesendet und empfangen werden oder die Sensoren und Aktoren befinden sich im Umfeld der Anlagen und dienen zur berwachung Bsp Gassensor Diese Daten werden zum Teil erst zur Anlage gesendet und danach an den Controller weitergeleitet Aber auch Ventile die als Aktoren zum Einsatz kommen befinden sich meistens im Umfeld der Anlagen um ge wisse Transportwege von Gasen und Fl ssigkeiten zu gew hrleisten Diese Sensoren und Aktoren werden ber entsprechende Controller berwacht geregelt und gesteuert da sie keine direkte Verbindung ber eine Ethernetschnittstelle zur Managementebene besitzen Nun folgt die Auflistung der Sensoren die eine Anbindung an die Automatisierungsebene ben tigen ohne dass sie bereits von den Anlagen in der Automatisierungsebene erfasst werden Diese Anbindungen sind n tig damit eine gezielte berwachung und Auswertung im Systemverbund erfolgen kann Es werden Strom und Wasserz hler f r die Verbrauchsbe rechnungen an allen Anlagen ben tigt die Strom produzieren oder verbrauchen Zus tzlich wird der Wasserverbrauch gemessen um diesen Verbrauch zu erfassen und sp ter auszu werten Mit Hilfe der Auswertungen kann eine sp tere Integration von Optimierungen im Sys tem erfolgen Des Weiteren m ssen Temperaturf hler in dem Geb ude verteilt werden um die Temperaturen an den verschiedensten Orten zu messen Dadurch k nnen R ckschl sse auf die Regelungen im Sy
116. temaschine reversible W rmepumpe bzw Umw lzpumpe bereit Bef llung des Speichers Solltemperatur der untersten Schicht im Speicher erreicht Bef llungvorgang stoppen Abbildung 6 6 Flussdiagramm K hlkreislauf 6 2 4 Testablauf f r die Versorgung der Kreisl ufe Der Test der Versorgung beginnt mit der Auswahl ob die Versorgung des K hl oder des Heizkreislaufs oder jeweils die Direktversorgung der Kreisl ufe stattfindet Wird der K hl kreislauf versorgt ist zun chst zu pr fen ob die Solltemperatur der untersten Speicher schicht auf dem geforderten Stand ist Falls dies nicht der Fall ist wird der Ablauf in eine 6 Test und Bewertung 75 Warteschleife weitergeleitet Ist die Solltemperatur erreicht ist die ffnung der daf r vorge sehenen Ventile die Folge Das gleiche gilt f r den Heizkreislauf sowie f r die direkte Versor gung der Kreisl ufe Danach beginnt die Versorgung der Kreisl ufe mit K lte bzw W rme Bei einem Kreislauf kommt die verbrauchte K lte bzw W rme als R cklauf zur ck in das System F r die R ckspeisung flie t das verbrauchte Wasser zur ck in den Speicher Wird dadurch die Solltemperatur in der obersten Speicherschicht unterschritten muss sofort mit der Versorgung gestoppt werden damit keine Beladung mit k hlen bzw warmen Wasser er folgt Wird diese Solltemperatur nicht erreicht werden die Kreisl ufe weiter mit W rme bzw K lte beliefert 76 6
117. tion f r diese Programmierung w re die Resetfunktion diese wird aus der Managementebene verwaltet Der Programmieraufwand der Resetfunktion ist allerdings in den Controllern n tig Mit dieser Funktion ist eine sofortige Unterbrechung der Forschungsaufgabe die Folge zudem kehren die involvierten Anlagen in einen vorher definierten Ausgangszustand zur ck Bei diesen berwachungsfunktionen muss eines immer gew hrleistet werden der Geb udeleitrechner 7 Zusammenfassung und Ausblick 80 muss falls eine vorher definierte Bereichs berschreitung stattfindet eine Priorisierung f r eventuelle Gegenma nahmen erhalten Dies ist mit dem BACnet Protokoll in den Priorisie rungseigenschaften zu implementieren Im Zuge der Technischen Analyse ist aufgefallen dass kein Zugriff auf die Controller von zwei unterschiedlichen Rechnern aus der Managementebene stattfinden kann ohne das eine berwachung oder eine Umsetzung der Reset Funktion m glich ist Das hei t dass wenn eine berwachung an den Controllern erfolgen soll muss der Zugang ber eine zentrale Instanz erfolgen Diese Instanz ist entweder ein Server oder der Leitrechner die die Daten verwalten Trotz der zentralen Regelung in der Automatisierungsebene ist eine Dezentralit t des Systems gegeben ber den Einsatz von weiteren Rechnern in der Mana gementebene kann eine direkte Verbindung zu einer gew nschten Anlage erfolgen und es lassen sich somit bestimmte Regelungen in der Managementebe
118. triebene Motor besitzt eine Wasserk hlung dieses durch den Motor erw rmte Wasser wird ebenfalls ber die Plattentauscher f r die Geb udeheizung genutzt Zudem befindet sich ein Heizkessel in der Anlage der bei W rmespitzenbedarf zur Verf gung steht Der produzierte Strom vom Generator kann ins Netz eingespeist oder im Geb ude verbraucht werden Das Modell Mephisto G16 was bereits f r den Energie Campus Hamburg angeschafft wurde besitzt eine regelbare elektrische Leistung von 5 16kW Die thermische regelbare Leistung betr gt 19 35 3kW Der elektrische Wirkungsgrad der Anlage liegt bei 31 5 der thermische bei 69 5 Demnach betr gt der berechnete Wirkungsgrad insgesamt 101 14 2 1 6 L ftungsanlage Die L ftungsanlage befindet sich auf dem Dach und sorgt f r eine bedarfsgerechte L ftung des Geb udes Dabei wird die Au enluft dem System zugef hrt ber Filtersysteme gerei nigt und in die R ume transportiert W hrend die verbrauchte Abluft dem Geb ude entzogen und an die Umwelt abgegeben wird kann die Nutzung der Zuluft bzw Abluft zur zus tzlichen K hlung oder Erw rmung des Heiz und K hlkreislaufes ber W rmer ckgewinnungsanla gen erfolgen 2 1 7 Heiz bzw K hlspeicher Ein Speicher wird ben tigt um W rme bzw K lte bei berangebot oder bersch ssiger Energie aufzunehmen und bei Bedarf die W rme bzw K lte wieder abzugeben Die Spei cherung von W rme oder K lte kann latent verborgen verste
119. unktionen ber lokale dezentrale Komponenten 19 1 Einf hrung 21 1 8 2 KNX Am 08 05 1990 wurde der EIB Europ ischer Installationsbus aus 15 Herstellern von Ge b udeautomatisierungssystemen die sich zur EIBA European Installation Bus Association zusammengeschlossen haben gegr ndet Ab Mai 1999 ist EIB unter KNX vermarktet wor den dies ist aus dem Zusammenschluss von EIBA BCI BatiBUS Club International und EHSA European Home Systems Association hervorgegangen KNX ist ein industrielles Kommunikationssystem welches Funktionen und automatisierte Abl ufe sicherstellt Dieses System ist ein guter Einstieg in die Welt der Bustechnik und wird h ufig zur Automatisierung der Beleuchtungstechnik im h uslichen Gebrauch eingesetzt Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den Datenaustausch der Sensoren Aktoren Steuer und Regelger te sowie Bedien und Beobachtungsger te Folgendes Beispiel soll dies ver anschaulichen Ein Sensor registriert eine Reaktion wie zum Beispiel einen Tastendruck Dann wird ein Datentelegramm ber den Bus an den Aktor gesendet dieser quittiert den Empfang und zeigt eine Reaktion auf die Erfassung vom Sensor In diesem Fall schaltet er das Licht an 19 1 8 3 BACnet Das wichtigste Protokoll in der Geb udeautomatisierung ist das BACnet Protokoll BACnet hei t Building Automation and Control Network und wurde von der American Society of Hea ting Refrigeration and Air Conditioning Engineers kurz ASHR
120. ur Managementebene herzustellen werden Computernetze verwendet Charakte ristisch f r diese Verbindung ist die bertragung gr erer Datenmengen hierbei wird den Computernetzen im Gegensatz zu den Feldbussen mehr Zeit einger umt Ein Computernetz kurz Netz ist ein Zusammenschluss ber Leitungen oder Funk von ver schiedenen technischen Systemen so dass die Kommunikation der einzelnen Systeme un tereinander erm glicht wird Die Kommunikation kann mittels des ISO OSI Referenzmodells strukturiert werden und wird nach Ma gabe bestimmter Regeln so genannter Protokolle abgewickelt 19 Wenn Informationen von einem Sensor zur Anlage gelangen werden diese ausgewertet und je nach Programmierung die Aktoren angesteuert Zus tzlich senden die Anlagen diese Informationen an die Managementebene Beispiele f r die Netzwerkprotokolle in der Auto matisierungsebene sind BACnet Profibus Modbus und IEC61850 1 5 3 Managementebene Die Managementebene ist die oberste Ebene der Geb udeleittechnik In dieser Ebene be findet sich der Geb udeleitrechner der die Steuerungen im Geb ude f r den Benutzer ber nimmt und visualisiert Wie bei der Automatisierungsebene kommen in der Managementebe ne die Computernetze zur Kommunikation mit den unteren Ebenen zum Einsatz da gr ere Datenmengen zum Transport bereitstehen 19 Kommen Informationen aus den unteren Ebenen zur Managementebene so werden diese hier ausgewertet und f r den Benutzer v
121. urch die Verwendung unterschiedlicher Protokolle m glich ist Der Leitrechner k nnte dabei eine BACnet Verbindung aufbauen und der Rechner f r die Forschung eine OPC Verbindung zum Server Eine Verwendung zus tzlicher Protokolle f r die Managementebene wird erst einmal nicht ben tigt da diese zu h heren Kosten f hren Zus tzlich muss eine Zugriffkontrolle implementiert werden um das System vor unbefugten Zugriff zu bewahren Hierbei m sste nur das Wartungs und Servicepersonal Zugriff zum Geb udeleitrechner erhalten Ein Login ber Zugangsdaten vom Forschungsrechner ist 4 Entwurf 58 zu unterbinden damit der Geb udeleitrechner nicht als Forschungsrechner missbraucht werden kann ber diesen Rechner sind nur Alarmmeldungen und Visualisierungen der ben tigten Anlagen zur Versorgung des Geb udes einzusehen wohingegen der Rest au tomatisiert ablaufen sollte Am Rechner der Forschungsanlagen darf nur das Forschungs und Entwicklungspersonal Zugriff bekommen denn ber diesen Rechner sind Bereiche f r Sensoren und Aktoren ver nderbar Diese nderungen k nnen zu Problemen im Sys tem f hren Es ist denkbar dass gewisse Bereiche nur f r nderungen durch bestimmtes Personal freigegeben wird dies m sste allerdings in Verbindung mit dem EBI Server bzw Leitrechner programmiert werden Der Server bzw der Leitrechner sind die Schnittstelle zwischen Managementebene und den unteren Ebenen der Automatisierungs und Feldebene Mit H
122. ventuell dazu f hrt dass Gegenma nahmen eingeleitet werden k nnen Wie am folgenden Beispiel zusehen ist wird bei einer zu niedrigen Temperatur im Geb ude ein vor dem Versuch beladener Heizspeicher f r den Heizkreislauf zur Verf gung gestellt Dieser Temperaturanstieg wird wieder eine behagliche Temperatur im Geb ude schaffen Damit diese Regelung ausgef hrt wird muss der Geb udeleitrechner priorisiert diese Steuerung bernehmen Der Forschungsrechner kann nun nicht mehr eingreifen bis der Geb udeleitrechner die Freigabe erteilt Zum Teil ist das berschreiten bzw Unterschreiten von Grenzen gewollt weil ein Versuch aus Forschungszwecken durchgef hrt werden soll Deshalb m ssen diese Grenzen angepasst werden k nnen Es d rfen allerdings keine Sicherheitsgrenzen angepasst werden da dies zu Besch digungen an den Anlagen und 3 Technische Analyse 53 dem Geb ude f hren kann Der C4DSI Entwurf verfolgt dabei den Ansatz die berwachung und Priorisierung direkt an den Schnittstellen bzw an den Controllern stattfinden zu lassen Allerdings kann damit keine Priorisierung der Daten stattfinden da zwei Rechner auf ein und den selben Controller zugreifen Und somit ist eine Regelung der Controller von zwei verschiedenen Instanzen m glich Die Programmierung der Grenzen f r Bereiche der Alarmbereitschaft werden in den Sys temen von Honeywell und Siemens ebenfalls mit Controllern geregelt Diese Controller befinden sich vor den Auto
123. yklen 6 Test und Bewertung 70 6 1 3 Ladezustand Die letzte Sicherheitsabfrage in der Simulation f r die Ladung einer Batterie ist der Ladezu stand der nicht berschritten werden darf In der Steuerungssimulation ist ein Lademaximum von 25 Prozent vorgebenen Wenn der Ladezustand ber die 25 Prozent ger t findet keine Ladung mehr statt indem die Stromzufuhr unterbrochen wird Die folgende Simulationsab bildung 6 3 zeigt diesen Schritt Allerdings ist hier mit einem Zeitverzug zurechnen da das Signal erst an den Server und dann an den Client gesendet wird So ist zu sehen dass der Ladezyklus um ca 3 Sekunden verz gert beginnt Zudem ist bei Erreichen der maximalen Ladekapazit t von 25 Prozent der Wert auf 27 5 Prozent gestiegen Abbildung 6 3 a Maximale Ladekapazit t b aktueller Ladungsstand c Ladesignal 6 Test und Bewertung 71 6 2 Tests f r den Heiz und K hlkreislauf Hier wird speziell der Heiz und K hlkreislauf getestet ob er den Anforderungen aus der An forderungsanalyse standh lt Bzw ob die Geb udeautomatisierung die Szenarien abspielen kann Voraussetzung ist nat rlich die Implementierung der Szenarien auf dem Server bzw Leitrechner 6 2 1 Testablauf f r den Heizkreislaufes Um die Beladung des Heizkreislauf zu testen wird folgende Abbildung 6 4 zum Testablauf genutzt Zun chst muss gekl rt werden ob die Anlagen die f r die Bela
124. ysteme miteinander Mit diesen Systemen kann sich die Wirt schaftlichkeit erh hen indem man Energie einspart den Arbeitskomfort erh ht und die Fle xibilit t bei Umbauten erm glicht 19 Die Energieeinsparung und Komfortanhebung wird ber die Steuerung der Heiz K lte L ftungs und Lichtanlagen sowie ber die Beschattung Sicherheit und Multimedia erreicht Zum Beispiel k nnte ein Pr senzmelder die Anzahl der anwesenden Personen im Raum re gistrieren und den Sollwert der Raumtemperatur anpassen Zus tzlich k nnte ein Sensor ge ffnete Fenster detektieren und die Heiz bzw K hlfunktion abschalten oder dar ber hinaus w re ein weiterer Sensor denkbar der die sinkende Luftqualit t registriert und demzufolge die L ftung anpasst bzw die Fenster ffnet Gerade im Sommer k nnte eine automatische Anhebung des Sollwerts der Raumtemperatur bei hohen Au entemperaturen zu erheblichen Komfortverbesserungen und Energieeinsparungen f hren Weiterhin k nnte das Licht in den R umen ber die vorhandenen Pr senzmelder gesteuert werden Zus tzlich k nnte hier ein Sensor die Helligkeit in Abh ngigkeit des Tageslichtes regeln Damit die Sensoren mit den Anlagen im Geb ude kommunizieren k nnen gibt es heutzu tage so genannte Bussysteme Anfangs haben Herstellerfirmen f r Geb udeautomatisie 1 Einf hrung 15 rungssysteme die Daten bertragung selbst entwickelt oder bekannte L sungen verwendet Diese sahen die Anbindung der ei
125. zt werden In der Steuerung ohne Sicherheitsabfragen Abbildung 5 3 ist bereits eine Ladebegrenzung der Batterie eingebaut Diese Abfrage bewirkt dass die Batterie nur bis zu einem bestimm ten Level geladen wird Zudem ist eine Berechnung der Ladezyklen m glich die nach einer bestimmten Anzahl am Tag die Ladung der Batterie untersagt Durch diese r cksichtsvolle Benutzung der Batterie kann eine l ngere Lebensdauer vorhergesagt werden Nach der Erstellung des Modells kann nun im folgenden Kapitel ein ausf hrlicher Test begin nen 6 Test und Bewertung Um ein Konzept f r ein System umzusetzen bedarf es nach dem Aufbau einiger Tests bzw Simulationen um das System auf gewisse Anforderungen vorzubereiten Da sich das Ge b ude im Anfangsstadium des Baus befindet konnte der erstellte Entwurf des Konzeptes in der Bachelorarbeit noch nicht umgesetzt werden Diesbez glich sind Tests nach aktuellem Stand nicht m glich deshalb ist die Entwicklung gewisser Testf lle bzw Simulationen mit Modellen n tig Diese Testf lle k nnen mit Hilfe von Matlab Simulink simuliert werden Hier f r werden vorhandene Modelle von den einzelnen Anlagen ben tigt Im gesamten Projekt Energie Campus Hamburg sticht das Modell f r das Blockheizkraft werk heraus dass gut als Testobjekt dienen kann ber das Modell wird zurzeit ebenfalls eine Bachelorarbeit angefertigt In dieser Arbeit wird eine Anbindung eines Blockheizkraft werkmodells ber einem Rasb
126. zufuhr durch rev W rmepumpe Vorlauf Abbildung A 21 hydraulische Verschaltung des Szenarios 24 R cklauf A Hilfsmittel 105 A 2 Telefonprotokolle Um die Gespr che mit den Geb udeautomatisierungsfirmen zu dokumentieren sind folgen de Protokolle entstanden Honeywell Datum 23 08 2013 Gespr chspartner Herr Oliver Kraus Honeywell Frage Hat der Rechner f r die Forschungsanlagen das gleiche Protokoll wie der Leit rechner Antwort Ja es wird das BACnet Protokoll oder eine OPC Schnittstelle angeboten dies ist Stand der Technik Frage Vorteile von OPC zu BACnet Antwort Es ist einfacher zu programmieren da es keine Objekte umfasst sondern Parame ter Frage Wozu dient der EBI Server Antwort Er besitzt eine beschr nkte Intelligenz scannt die Automatisierungsebene Nur bei Wert nderungen werden Daten vom Controller an den EBI Server gesendet Dient als Datenspeicher und zur Visualisierung des Geb udeautomatisierungssystems Der Server ist f r 2500 Datenpunkte ausgestattet Bei einer Anbindung ber OPC in der Managemen tebene ist die Anzahl der Teilnehmer auf die maximal m gliche Anzahl f r das Netzwerk beschr nkt Es k nnen aber bei BACnet 12 Reader ber Teamviewer eingesetzt werden Durch den EBI Server ist die Managementebene zentralisiert Frage Wo findet die Programmierung f r die Regelungen statt Antwort In der Automatisierungsebene in den Controllern vor den Anlagen Frage Wo k nnen unser

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