Simulation einer prädiktiven Raumtemperaturregelung unter Verwendung einer idealen Wettervorhersage

Durch die Anwendung von prädiktiven Regelalgorithmen (Model Predictive Control MPC) für die Raumheizung versprechen sich Errichter und Betreiber eine nennenswerte Energieeinsparung. Mittels einer Simulation soll für einen ausgewählten Fall das Energieeinsparpotential eines prädiktiven Regelalgorithmus zur Raumtemperaturregelung unter Verwendung einer idealen Wettervorhersage im Vergleich zu gängigen Algorithmen wie z. B. PI‐Regler oder Zweipunktregler abgeschätzt werden. Als Regelstrecke mit der Regelgröße Raumtemperatur dient ein Raum mit Fußbodenheizung, der in TRNSYS modelliert wurde. Mittels geeigneter Identifikationsmethoden wurde ein lineares Zustandsraummodell der Regelstrecke entworfen, welches vom prädiktiven Regelalgorithmus, der in MATLAB programmiert wurde, verwendet wird. Durch Einbindung eines Referenzwetterdatensatzes aus der TRNSYS‐Bibliothek, welcher dem Regelalgorithmus zur Verfügung gestellt wird, sind alle relevanten Wetterdaten bereits im Voraus bekannt (ideale Wettervorhersage). Für die in diesem Beitrag betrachtete Konfiguration ergab sich ein Energieeinsparpotential von ca. 10 % pro Jahr bei der Verwendung eines MPCReglers, verglichen mit einem PI‐Regler. Simulation of a model predictive room temperature control by use of an ideal weather forecast. Due to the use of MPC (Model Predictive Control) for room heating applications users and constructors expect nameable energy savings. By usage of a simulation for a special case the energy saving potential of predictive control algorithm for room temperature control in connection with an ideal weather forecast, in comparison to established algorithms (PI‐control, two level controller) is estimated. The controlled system with the control variable room temperature is a room with floor heating which was modelled in TRNSYS. A linear state space model of the controlled system was derived with suitable identification methods. This model was used by the predictive control algorithm, which was programmed in MATLAB. The weather data was taken from the TRNSYS library and has been made available also for the control algorithm, so that an ideal weather forecast was established. For the example considered in this paper, the amount of energy saving was 10 % per year with the MPC‐controller compared to a PI‐controller.     

Möglichkeiten und Grenzen bei der Modellierung von Einflussfaktoren auf die menschliche Leistungsfähigkeit

Zunehmende Globalisierung und das Erfordernis, immer kostensparender zu wirtschaften, stellt für viele Unternehmen eine Herausforderung dar. Um wettbewerbsfähig zu sein, sollen die Mitarbeiter leistungsfähig und motiviert sein und optimal ihr Wissen einbringen können, andererseits sollen sie möglichst wenig Kosten verursachen. In den kommenden Jahren werden immer mehr Menschen im Büro beschäftigt sein. Daher beschäftigt sich dieser Artikel mit den Einflussfaktoren auf die Leistungsfähigkeit bei Büroarbeit. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem thermischen Raumklima, da es dazu sehr gegensätzliche Diskussionen in der Literatur gibt. Neben einer Definition der Leistungsfähigkeit und einer Übersicht über mögliche Einflüsse auf diese, stellt sich auch die Frage, wie Leistung adäquat erfasst werden kann. Nach Auswertung der zugänglichen Literatur ergeben sich widersprüchliche Ergebnisse. Die Ableitung einer Ursache‐Wirkungs‐Beziehung ist daher nicht trivial. Außerdem ist anzunehmen, dass das thermische Raumklima offensichtlich nicht den einzigen Einflussparameter auf die Leistungsfähigkeit darstellt. Vielmehr besteht eine weite Verzweigung sowohl mit anderen physikalischen Faktoren wie der Akustik oder der Beleuchtung und mit Aspekten wie Raumgestaltung oder psychosozialen Effekten. Possibilities and limitations of modeling the influencing factors on human performance. Increasing globalization and the necessity to reduce costs of economic activities poses a challenge for many companies. To act competitively on a global market, employees should be able to perform at their best, to be highly motivated and, on the other hand, to work in a costeffective manner. Furthermore, it is expected that within the next years people tend to work in offices to an increasing tendency. For this reason, this paper addresses factors that primarily affect the performance of office work. The focus is on the thermal indoor climate as this issue is controversially discussed in the literature. In addition to the definition of the terms performance and productivity and an overview over potential influences, it is not clear how performance can be measured adequately. Evaluation of the relevant literature shows contradictory results. Apparently, the derivation of a relationship between temperature and working performance is not trivial. Furthermore, it is anticipated that the thermal indoor climate is not the only performance indicator that affects working performance. In fact, there are mutual connections between other physical para meters like acoustics or lighting and, as well, with psycho‐social factors and aesthetical issues in terms of the interior design.     

A simulation‐powered approach to ventilation,lighting and shading systems control

This paper reports on ongoing work toward implementing a predictive control approach for buildings systems for ventilation, lighting, and shading. The main objective of this method is the optimized control of multiple devices toward usage of passive cooling and natural lighting. In this way, control options (various opening positions of windows, shades, etc.) are generated and computationally assessed using a combination of option space navigation via genetic algorithms and numeric simulation. Simulationsgestütztes Konzept zur Regelung und Steuerung von Lüftungs‐, Beleuchtungs‐ und Verschattungseinrichtungen. Im vorliegenden Artikel wird über laufende Arbeiten zur Entwicklung eines prädiktiven Konzepts zur Regelung und Steuerung von Lüftungs‐, Beleuchtungs‐ und Verschattungssystemen in Gebäuden berichtet. Dabei geht es im Wesentlichen um die Optimierung der Regelung und Steuerung von Einrichtungen zur verstärkten Nutzung von passiver Kühlung und natürlicher Beleuchtung. Auf diese Weise werden Optionen zur Regelung und Steuerung (z. B. unterschiedliche Öffnungspositionen für Fenster und Sonnenschutz, usw.) erzeugt und digital beurteilt, wobei eine Kombination aus Optionsraum‐Navigation (anhand genetischer Algorithmen) und numerischer Simulation zur Anwendung kommt.     

Ausstattung von Klassenräumen mit Einrichtungen zum Temperieren,Lüften und Belichten

Fast alle Schulräume werden in Deutschland ausschließlich über Fenster mit Außenluft versorgt. Messungen haben gezeigt, dass die Belüftung der Schulräume vor allem in der kalten Jahreszeit unzureichend ist. Hybride Lüftungssysteme mit einer automatischen Unterstützung der Fensterlüftung könnten eine Möglichkeit bieten, die Häufigkeit schlechter Innenluftqualität in Schulen zu minimieren. Hierbei ist die Anordnung der dezentralen Zuluftöffnungen in den Fassaden eine der kritischsten Systemkomponenten, und es besteht gerade bei Schulgebäuden weiterer Untersuchungs‐ und Optimierungsbedarf. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Verbund‐ projektes “Heizenergieeinsparung, thermische Behaglichkeit und gute Luftqualität in Schulgebäuden durch hybride Lüftungstechnik” werden die Eigenschaften von Klassenräumen im Landkreis Miesbach bezüglich der Temperierung, Belüftung und Belichtung aufgenommen. Die Begehung von 22 Schulen im Landkreis Miesbach ermöglicht für einen gesamten Landkreis die Bewertung der baulichen Gegebenheiten, welche die raumklimatischen Verhältnisse entscheidend beeinflussen. Die Belegungsdichte der Klassenräume im Landkreis Miesbach ist eher als normal bis gering einzustufen, da in ca. 80 % der Räume der Mindestwert von 2 m² je Schüler eingehalten wird. 88 % der untersuchten Räume weisen eine mittlere bis hohe thermische Masse auf. Die meisten Klassenräume im Landkreis haben einen Fensterflächenanteil von 30 bis 60 %. Etwa 50 % der Räume besitzen keinen Sonnenschutz. Der bauliche sommerliche Wärmeschutz muss überwiegend als unzureichend bewertet werden. Etwa zwei Drittel der Klassenräume weisen eine gute bis mittlere Tageslichtversorgung auf. Die Klassenräume werden über Fenster belüftet. Die Fassaden besitzen vielfältige Öffnungsmöglichkeiten, wobei Drehkippflügel und Schwingflügel am häufigsten angetroffen werden. Equipment of classrooms with systems for maintaining temperature, for ventilation and for illumination. Most German classrooms are not equipped with mechanical ventilation systems. Natural ventilation controlled by the occupants opening the windows is the main way to provide fresh air. Measurements in real classrooms showed that the ventilation especially in cold season is insufficient. Hydrid ventilation systems with automatically controlled windows might reduce the prevalence of high carbon dioxide concentration inside the classrooms. The position of the air supply opening in the façade is the most sensible design task. There is still a big potential for optimization. In the frame of the project “Energy saving, thermal comfort and good indoor air quality in schools using hybrid ventilation” supported by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Technology the properties of classrooms in the county Miesbach/Germany regarding thermal comfort, ventilation and illumination were collected. In sum data of 106 classrooms in 22 schools were collected. The density of persons is normal to low. Approximately 80% of the rooms offer at least 2 or more square meter per pupil. 88% of the investigated classrooms are built with medium or high thermal mass. The glazed facade area is between 30 and 60% for most of the classrooms. 50% of the classrooms do not have any sun shading device. The summer overheating protection by passive means is insufficient. Two thirds of the classrooms offer a good to acceptable daylight condition. The classrooms are ventilated by opening the windows. There are different opening types of the windows and several combinations of the types in the façades. Tilt and turn windows and the horizontally pivot‐hung type are the most prevalent types.     

Model assumptions and their influence on the predicted heating load of an office building

Using the example of an existing office building, the present paper explores the influence of different simulation input assumptions such as set point temperatures and ventilation behavior on the heating load of a building. Moreover, heating load simulation results with empirically‐based input assumptions are compared with simulation that uses standardized input assumptions. Modellannahmen und ihre Auswirkungen auf die berechnete Heizlast eines Bürogebäudes. Anhand eines beispielhaften bestehenden Bürogebäudes wird der Einfluss verschiedener Simula tionsannahmen wie zum Beispiel Temperatursollwerte und Lüftungsverhalten auf die Heizlast eines Gebäudes untersucht. Weiterhin werden auf empirischen Annahmen basierende Heizlast‐Simulationsergebnisse mit auf standardisierten Annahmen beruhenden Ergebnissen verglichen.     

Energieeinsparpotential eines Passivhauses unter Berücksichtigung von Wetterprognosen

Innovative Regelungen in Gebäuden können beachtliche Energieeinsparungen zur Folge haben. Besonderes Augenmerk ist hierbei auf Gebäude gelegt, die in einem gesteigerten Maße von ihrer Umwelt thermisch entkoppelt sind: dazu wird ein nach Passivhausstandard gebautes, real existierendes Bürogebäude modelliert, das Modell mit Monitoring‐Daten validiert und simuliert. Anhand der Simulationen mit der Simulationsumgebung TRNSYS und der Hinzunahme von gemessenen Wetterdaten werden mögliche Energieeinsparpotentiale erkannt und ausgewertet. In dieser Betrachtung, die den Zeitraum eines kompletten Jahres (Zeitraum 2009/2010) beinhaltet, liegt der Fokus auf Energieeinsparungen, die durch intelligentes Heizen und Kühlen des Gebäudes erzielt werden können. Potential for saving energy in a Passivhaus building, taking into account weather forecasts. Innovative controls in buildings can lead to remarkable energy savings. The main focus of this paper is on buildings that are highly thermally insulated from their environment: the model is based on an existing building that was built to Passivhaus standard, and then validated with monitoring data and simulated. By adding actual, measured weather data in the simulations (which were done in the TRNSYS simulation environment) potential energy savings are identified and evaluated. In this analysis, which covers a full year (2009/2010), we concentrate on energy savings in the building’s heating and cooling systems.     

Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Tragverhalten von Stahlbetondecken mit kugelförmigen Hohlkörpern

Massive Flachdecken erweisen sich in Hoch‐ und Industriebau häufig als insgesamt überlegenes Deckensystem. Die hohe Eigenlast dieser Decken kann ihren Anwendungsbereich jedoch einschränken. Eine sinnvolle Abhilfe schafft dann die Integration von Hohlkörpern in der neutralen Zone, weil hierdurch eine spürbare Gewichtsreduktion eintritt. Neben der Eigenlast wird auch der Verbrauch der unter ökologischen Gesichtspunkten wesentlichen Ressourcen Betonstahl und Zement deutlich verringert. Die Hohlräume beeinflussen vor allem die Querkrafttragfähigkeit solcher Decken. Vier Versuchsserien, die mit kugelförmigen Hohlkörperdecken des Systems “cobiax” durchgeführt wurden, werden in diesem Beitrag beschrieben. Aus den Versuchen wird ein Abminderungsfaktor zur Beschreibung des Querkrafttragverhaltens abgeleitet, der auch in die kürzlich erteilte allgemeine bauaufsichtliche Zulassung des Deckensystems eingegangen ist. Die Nachrechnung der Versuche mit der Finite‐Elemente‐Methode zeigt eine gute Übereinstimmung von Numerik und Experiment, so dass in der Weiterentwicklung Parameterstudien auf dieser Grundlage zur Ergänzung von Versuchen hilfreich sein werden. Experimental and Numerical Investigation of the Bearing Behaviour of Hollow Core Slabs Massive flat slabs have proven to be the most appropriate ceiling system for structural and industrial engineering. However the high dead load of these slabs might reduce their field of application. This problem can be solved by void formers that are placed in the neutral zone. These block‐outs cause a noticeable reduction of weight. Furthermore, the masses of ecologically important resources like reinforcement steel and cement can be reduced as well. The shear bearing capacity is significantly influenced by these block‐outs. This article describes four test series with spherical void former floors of the system “cobiax”. A reduction factor for the shear bearing capacity is derived from these tests. That factor was also introduced in the technical approval for this slab system which has been issued recently. A comparison to a calculation with the finite element method shows that the numerical results and the results of the tests are quite similar. In future research, parameter studies based on the finite element method might be helpful additional to further tests.     

Untersuchungen zum vertikalen Tragverhalten von Spundwänden

Spundwände werden im Wesentlichen auf Biegung infolge einer Belastung durch Erd‐ und Wasserdrücke beansprucht. Sie können aber auch zum Abtrag von Vertikallasten dienen. Das Tragverhalten von Spundwänden ist bei genauer Betrachtung äußerst komplex, da diesem eine räumlich und zeitlich gekoppelte Boden‐Bauwerk‐Interaktion zugrunde liegt. Für die praktische Bemessung muss das Tragverhalten daher stark idealisiert werden. Die Rechtfertigung der dafür notwendigen Modellvorstellungen sowie deren Vereinfachungen und Annnahmen sind, wie häufig in der Geotechnik, hauptsächlich durch Erfahrung begründet. Researching the vertical load bearing behaviour of sheet piles. Sheet pile walls are mainly used to carry loads caused by earth and water pressure via bending. In special cases these walls can be used to transfer vertical loads to the subsoil. The complex load bearing behaviour of sheet pile walls is caused by the sterical and temporal coupled soil structure interaction. For practical design the load bearing behaviour needs to be idealised. The apologies used to explain the model conceptions as well as their simplifications are, as usual in geotechnics, mainly motivated by operating experience.