Solarautarke Klimatisierung: Führung komplexer solartechnischer Anlagen

Mithilfe von Fördermitteln des Förderprogramms \’Solarthermie 2000plus\‘ vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) konnte die iba AG ein Projekt der \’Solarautarken Klimatisierung\‘ und in den eigenen Büroräumen ein neues Konzept zur Raumklimatisierung umsetzen. Hierbei wird Energie, die zur Erzeugung der Kälte erforderlich ist, im Wesentlichen von der Sonne geliefert. Ziel der thermischen Solaranlage ist es, den Primärenergiebedarf für Heizung und Warmwasserbereitung zu senken und in den Sommermonaten damit das Kühlsystem zu betreiben. Die dafür zur Verfügung stehende Kollektorfläche beträgt ca. 100m² und ist als Aufdachmontage auf die nach Süden orientierte Sparrendachkonstruktion gesetzt worden. Da im Sommer der Wärmebedarf für die Warmwasserbereitung beschränkt ist, wird mit der überschüssigen Energie der Solarkollektoren Kälte erzeugt. Dafür wird eine Absorptionskälteanlage eingesetzt. Energieeffiziente Umsetzung Die Energiebilanz für die zu klimatisierenden Gebäudeteile ergab eine erforderliche Kühlleistung von ca. 30kW. Die gewonnene thermische Solarenergie wird im Sommer zur Kälteerzeugung und außerhalb der Kühlperiode zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung genutzt. Die Kälteanlage wird im Sommer als solarautarkes System betrieben. Es erfolgt keine Nachheizung aus dem Brennwertkessel. Die solare Kältedeckungsrate beträgt im Sommer 100%. Wenn die Leistung des Kollektorfeldes nicht für eine vollständige Kältebedarfsdeckung ausreicht, ergeben sich höhere Kaltwassertemperaturen und eine geringere Leistungsfähigkeit der Raumkühlsysteme. Die Raumlufttemperaturen werden verringert. Das entspricht dem Ziel, hauptsächlich die Temperaturspitzen bei minimalem Primärenergieeinsatz zu reduzieren. Außerdem werden die negativen Effekte von Klimaanlagen auf die Nutzer durch zu große Temperaturunterschiede gegenüber der herrschenden Außentemperatur, kalte Zugluft und Entfeuchtung vermieden. Trotz des autarken Betriebs der solaren Absorptionskälteanlage ist eine Anbindung an den vorhandenen Brennwertkessel vorgesehen, um z.B. einen Messbetrieb zum Teillastverhalten unabhängig vom Strahlungsangebot durchführen zu können. Im Winter soll eine solare Heizungsunterstützung erfolgen. Automatisierung der Anlage Als Automatisierungssystem zur Führung der gesamten Anlage und zur Integration in die bestehende Haustechnik wurde die PC-basierte Steuerungssoftware ibaLogic in der Version 4 verwendet. Seit nunmehr fünf Jahren wird die Heizung aller Räume im Gebäude von einer zentralen Steuerung mit dem System ibaLogic gesteuert. Bereits hier konnten wertvolle Erfahrungen gesammelt werden. Anfangs verfügte jede Komponente der neuen Anlage über eine eigene Steuerung mit ihren herstellerspezifischen Eigenschaften und beschränkten Bedienmöglichkeiten. Das unkoordinierte Zusammenspiel dieser Steuerungen hatte mitunter nachteilige Effekte. Beispielsweise senkte die Steuerung des Brennwertkessels die Vorlauftemperatur bei hohen Außentemperaturen ab, wodurch ein Unterstützen der Solaranlage an bewölkten, schwül-heißen Tagen unmöglich war. Die Standard-Implementierung des primären Solarkreises solcher herstellerspezifischen Steuerungen ist z.B. darauf ausgelegt, möglichst viel solaren Ertrag zu liefern (z.B. low flow) – das führt aber an den meisten Tagen zu einer geringen Temperatur im Sekundärkreis. Für das Betreiben einer Absorptionskältemaschine sind Temperaturen von ca. 80°C im Sekundärkreis wünschenswert. Das kann nur mit einer Zieltemperaturregelung erreicht werden. Entsprechend den bisherigen negativen Erfahrungen mit den Originalsteuerungen wird derzeit für die neue Anlage eine zentrale Steuerung mit ibaLogic implementiert, die alle Komponenten in sich vereint und neue Steuerungskonzepte bei verbesserter Bedienung umsetzt. Mit ibaLogic wird die Optimierung und die messtechnische Auswertung der Anlage erleichtert. Das Steuerungssystem bietet eine einfache Möglichkeit, Messdaten aufzuzeichnen, die über Sensoren erfasst oder in der Steuerung selbst erzeugt werden (Dat-File-Write). Darüber hinaus können mit dem Messwerterfassungssystem ibaPDA alle Anlagenparameter aufgezeichnet und der Nachweis der Funktionsfähigkeit erbracht werden. Eine Fernabfrage der Messdaten über das Internet ist möglich, was für die Durchführung der energetischen Begleitforschung durch die TU Ilmenau entscheidend ist. Die Ankopplung von ibaLogic und ibaPDA an die Sensorik und Aktorik der Anlagenkomponenten wird über dezentrale Ein-/Ausgabeeinheiten aus dem ibaNet750-System mit System 750-Komponenten der Fa. Wago realisiert. Eigenschaften des Softwaresystems ibaLogic kombiniert die Eigenschaften eines Signalmanagers mit denen einer Soft-SPS (auch Programmable Automation Controllers, PAC). Das Softwaresystem wird vor allem in der Mess- und Regelungstechnik für schnelle und dynamische Prozesse eingesetzt. Daher sind kurze Programmzykluszeiten und ein deterministisches Zeitverhalten wesentliche Systemeigenschaften. Auch für relativ langsame Prozesse wie Temperaturregelungen kann das Softwaresystem sinnvoll eingesetzt werden, denn es bietet neben einer Funktionsbibliothek Transparenz bei der Erstellung und Wartung der Anlagensoftware. Mithilfe der grafischen Programmieroberfläche lassen sich viele Programmieraufgaben mittels Drag&Drop lösen. Plausible Standardwerte werden automatisch eingefügt. Funktionen können während des Betriebs der Anlage hinzugefügt und stoßfrei auf die Steuerung übertragen werden. Mittels Hot-Swap kann ein änderbares Abbild der Steuerung generiert werden. Erst nach dem erfolgreichen Test der eingefügten Änderung wird die neue Version der Anlagensoftware auf der Anlage aktiviert. Somit können Betreiber ohne weitreichende Programmierkenntnisse nach geringer Einarbeitungszeit Störungen beheben und Optimierungen an der Anlage selbst vornehmen. Hilfreich beim Einsatz von ibaLogic ist die ausschließliche Verwendung internationaler Standards beim Betriebssystem, der Kommunikation und der Programmiersprache. Die Offenheit, Portierbarkeit und Wiederverwendbarkeit der erstellten Anwendersoftware wird auf diese Weise sichergestellt. Industrie- oder Embedded-PCs mit Windows als Betriebssystem sind die Hardware-Plattform für das System. Alle aktuellen und zukünftigen Weiterentwicklungen auf dem PC-Sektor, wie z.B. Internetanbindung, Web-Dienste oder Remote Access sowie die zunehmend leistungsfähigeren Prozessoren kommen der Anwendung automatisch zugute. Es besteht die Möglichkeit, Anlagendaten in Echtzeit aufzuzeichnen. Damit ist eine komfortable Störungsanalyse einer – wie in diesem Fall – komplexen Anlage möglich. Außerdem können aus diesen Daten mithilfe weiterer Tools vollautomatisch Langzeittrends für die energietechnischen Kenngrößen gebildet werden. Damit wird eine betriebswirtschaftliche Langzeitanalyse von Anlagen auf Basis regenerativer Energiequellen erst möglich. Komfort durch Steuerungssoftware Die Funktionstüchtigkeit der solarautarken Kühlung konnte in einigen Räumen bereits beim Probebetrieb im Sommer 2008 nachgewiesen werden. Nach Abschluss der Installationsarbeiten zum Sommer 2009 sind nun alle zu kühlenden Räume mit Konvektoren ausgestattet, und die Auswertungen laufen. Bei Außentemperaturen von ca. 30°C werden in den Räumen Temperaturen von ca. 24°C erreicht. Nach vollständiger Integration von ibaLogic wird das Betriebsverhalten noch weiter optimiert werden. Für den Nutzer wird durch die übergeordnete Regelung der Komfort erhöht, denn mithilfe der Einzelraumregelung lässt sich die Temperaturabsenkung individuell anpassen. (Kasten) \“Klimawandel, Umweltschutz und Minderung des CO2-Ausstoßes sind für uns als mittelständischen Betrieb und Hersteller hochwertiger Mess- und Steuerungssysteme eine Herausforderung, der wir uns nachhaltig stellen.\“ Horst Anhaus, CVO iba AG