title: Entwicklung eines Konzeptes zur Regelung von raumlufttechnischen Anlagen auf der Basis von Methoden der dynamischen Systeme
title: Development of a concept for the control of air-conditioning systems on the basis of dynamic systems methods.
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Görig, Florian
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2021
Subjects: Physics
Physik
Flow simulation
Unsteady space flows
Building technology
Energy efficiency
Time series analysis
Control systems
CFD
HVAC
Dynamical systems

description: In this paper we will show a way to a paradigm shift in building automation. Air handling units (AHU) play an increasingly important role in the air conditioning of buildings and their energy consumption. Classical approaches in building automation use PID controllers to ensure stable, comfortable and energy efficient operation of AHUs. When using a PID controller, a disturbance is not compensated until it has already caused a measurable change, e.g. in the room temperature. The time from the occurrence of the disturbance to the detection of its influence on the room climate is decisive for the speed with which the control can compensate for the disturbance. The slower the detection, the greater the effect of the disturbance and associated with it, for example, the cost as well as the discomfort of overheating a room. We will show that it is possible to detect the intensity of a disturbance based on a thermal source without waiting for its effect on the room climate. An indicator will be used to estimate the intensity of the thermal sources, based on an evaluation of a high-frequency signal component of a temperature or air velocity measurement. In order to obtain this indicator and the necessary basic understanding, we investigate the relevant properties of thermal convection, as they can occur under comfortable conditions in room air conditioning, using the example of Rayleigh-Bénard convection (RBC). A rectangular geometry in 2D is heated from below and cooled from above at temperature differences that approximate the heat dissipation of people indoors. The goal is to determine whether structures can be identified in the resulting flow field that can be used to estimate the intensity of the heat sources driving the convection. The convection under the investigated parameters shows a deterministic chaotic behavior. In order to be able to consider the properties of this behavior prototypically and isolated from other disturbing or too specific influences, we use the Lorenz model. The focus is on the use of different approaches from the field of time series analysis and statistics to test which approach can be used validly and numerically inexpensive for the formation of the indicator. The use of the sample standard deviation will be established as an important first building block. In order to better assess the effects of geometry, measured quantity as well as evaluation time in the formation of the indicator, the RBC will be investigated in detail with a direct numerical simulation (DNS). It will be shown that the use of the sample standard deviation allows to estimate the intensity of the convection with a linear approach with a high statistical confidence. The theoretical findings from the Lorenz model and the DNS will be complemented by measurements under laboratory conditions. It is shown that a transfer of the evaluation methods to a three-dimensional space geometry is possible by using a suitable measurement technique. Qualitative agreements on the specific properties, especially in the difference between an air velocity and a temperature measurement to the simulated data, underline the goodness of this broadly performed analysis. Finally, we will show that people can also be detected as real heat sources with the indicator and that, under this condition, it is possible to demonstrate the effects on operational safety and the possible cost savings on a model. In the model, the indicator is applied as a basis for a new model predictive (MP) control concept. It is shown that an improvement of the control performance as well as a reduction of the operation management costs can be realized. The main innovation of the concept is the reduction of the degree of difficulty of the controlled system in case of disturbance. This approach offers a wide range of applications, the full potential of which still needs to be further developed.
description: Wir werden in dieser Arbeit einen Weg zu einem Paradigmenwechsel in der Gebäudeautomation aufzeigen. Raumlufttechnische (RLT-)Anlagen nehmen eine zunehmend bedeutsame Rolle in der Klimatisierung von Gebäuden und deren Energieverbrauch ein. Klassische Ansätze in der Gebäudeautomation verwenden PID-Regler um einen stabilen, behaglichen und energieeffizienten Betrieb von RLT-Anlagen zu gewährleisten. Bei der Verwendung eines PID-Reglers wird eine Störung erst dann kompensiert, wenn sie bereits eine messbare Änderung z.B. der Raumtemperatur verursacht hat. Der Zeitpunkt vom Auftreten der Störung bis zur Feststellung ihres Einflusses auf das Raumklima ist entscheidend für die Geschwindigkeit, mit der die Regelung die Störung ausgleichen kann. Je langsamer die Detektion erfolgt, desto größer ist die Auswirkung der Störung und entsprechend z.B. Kosten oder Unbehaglichkeit bei Überhitzung des Raumes. Wir werden zeigen, dass es möglich ist, die Intensität einer auf thermischen Quellen basierenden Störung zu detektieren, ohne ihre Auswirkung auf das Raumklima abwarten zu müssen. Es wird dabei ein Indikator verwendet, welcher die Intensität der Wärmequellen abschätzt, basierend auf einer Auswertung eines hochfrequenten Signalanteils einer Temperatur- bzw. Luftgeschwindigkeitsmessung. Um diesen Indikator und das notwendige Grundlagenverständnis zu erlangen, untersuchen wir die relevanten Eigenschaften der thermischen Konvektion, wie sie unter behaglichen Bedingungen in der Raumklimatisierung auftreten können, anhand des Beispiels der Rayleigh-Bénard-Konvektion (RBK). Dabei wird eine rechteckige Geometrie in 2D bei Temperaturdifferenzen, die näherungsweise der Wärmeabgabe von Personen in Innenräumen nachempfunden sind, von unten beheizt und von oben gekühlt. Damit soll geprüft werden, ob in dem dabei entstehenden Strömungsfeld Strukturen erkennbar sind, anhand derer die Intensität der die Konvektion antreibenden Wärmequellen abgeschätzt werden kann. Die Konvektion unter den betrachteten Parametern zeigt ein deterministisch chaotisches Verhalten. Um die Eigenschaften dieses Verhaltens prototypisch und isoliert von sonstigen störenden oder zu spezifischen Einflüssen betrachten zu können, verwenden wir das Lorenz-Modell. Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt dabei in der Verwendung verschiedener Ansätze aus dem Bereich der Zeitreihenanalyse und Statistik, um zu prüfen, welche Methode valide und numerisch kostengünstig für die Bildung des Indikators genutzt werden kann. Die Verwendung der Stichprobenstandardabweichung wird sich dabei als wichtiger erster Baustein herausstellen. Um die Auswirkungen der Geometrie, Messgröße sowie Auswertungsdauer bei der Bildung des Indikators besser beurteilen zu können, wird die RBK mit einer direkten numerischen Simulation (DNS) eingehend untersucht. Dabei wird sich zeigen, dass die Verwendung der Stichprobenstandardabweichung es ermöglicht, die Intensität der Konvektion mit einem linearen Ansatz und einer hohen statistischen Sicherheit abzuschätzen. Die theoretischen Erkenntnisse aus dem Lorenz-Modell und der DNS werden durch Messungen unter Laborbedingungen ergänzt. Dabei zeigt sich, dass eine Übertragung der Auswerteverfahren auf eine dreidimensionale Raumgeometrie unter Verwendung einer geeigneten Messtechnik möglich ist. Qualitative Übereinstimmungen zu den spezifischen Eigenschaften insbesondere im Unterschied zwischen einer Luftgeschwindigkeits- und einer Temperaturmessung zu den simulierten Daten unterstreichen die Güte dieser in der Breite durchgeführten Analyse. Abschließend werden wir zeigen, dass auch Personen als reale Wärmequellen mit dem Indikator detektiert werden können und es unter dieser Voraussetzung möglich ist, die Auswirkungen auf die Betriebssicherheit sowie die mögliche Kostenersparnis an einem Modell aufzeigen. In dem Modell wird der Indikator als Basis für eine neues Modellprädiktives (MP) Regelungskonzept angewendet. Dabei zeigt sich, dass sowohl eine Verbesserung der Regelgüte als auch eine Reduktion der Betriebsführungskosten realisiert werden kann. Die wesentliche Neuerung des Konzeptes besteht in der Reduktion des Schwierigkeitsgrades der Regelstrecke im Störfall. Dieser Ansatz bietet ein breites Anwendungsspektrum, dessen volles Potential es noch weiter zu erschließen gilt.