Intelligente Regelung der Lüftungsanlagen spart Energie

Schwimmbäder zählen zu den energieintensivsten Gebäuden. Durch den Einsatz einer KI-basierten Regelung der Lüftungsanlagen, die vorausschauend regelt, lässt sich dort das maximale Einsparpotenzial ausschöpfen. In einem Forschungsprojekt haben die Hochschule Emden und die Firma HANSA Klimasysteme genau an dieser Regelung gearbeitet – mit Industrial Edge-Geräten und Edge-Applikationen für die Datenverarbeitung von Siemens.

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Das Projekt

Kooperation zwischen Forschung und Industrie

Für ein von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördertes Forschungsprojekt hatte sich die HANSA Klimasysteme GmbH Ende 2017 die Hochschule Emden als Forschungspartner ins Boot geholt. Ziel des Projekts war es, die optimalen Bedingungen in einer Schwimmhalle in Bezug auf Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu erreichen und dabei gleichzeitig so energieeffizient wie möglich zu sein. Gelingen sollte dies durch die Zusammenarbeit mit dem nahe gelegenen Schwimmbad Saterland und der neuen Siemens-Technologie „Industrial Edge“.

Die Lösung

Höhere Energieeffizienz dank KI-basierter Prognose

Nach dem Start der Kooperation zwischen Schwimmbad, HANSA Klimasysteme und den Beteiligten des Forschungsprojekts der Hochschule Emden wurden ein Jahr lang die Daten aus den angeschlossenen Sensoren gesammelt. Dabei handelte es sich nicht nur um Daten aus dem Lüftungsgerät zu Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Energieverbrauch, zusätzlich lieferten Sensoren Informationen über Wetterbedingungen draußen oder zur Anzahl der Besucher im Schwimmbad. Parallel zur Datenerfassung wurde ein Modell, das auf einem neuronalen Netz basiert, mit diesen Daten gefüttert. Dieses KI-basierte Modell kann damit selbstlernend seine Regelparameter ermitteln und optimieren. Das Modell erkennt selbstständig, welche Maßnahme am besten geeignet ist, um die angestrebten Bedingungen in der Schwimmhalle bei möglichst hoher Energieeffizienz zu erreichen.

Kleines Edge-Gerät mit großer Konnektivität

Doch schnell war klar: Es braucht eine Plattform, auf der das modellbasierte Steuerungssystem abläuft und die eine Schnittstelle zur SPS bildet, um an die benötigten Daten aus der Steuerung zu gelangen. Also begab sich der Gerätehersteller auf die Suche nach einem geeigneten IPC (Industrie-PC) und fand mit dem Industrial Edge-Gerät SIMATIC IPC227E schnell eine passende Lösung im Siemens-Portfolio, die nicht nur die Sicherheitsstandards erfüllte und industrietauglich war, sondern sich aufgrund hoher Konnektivität auch problemlos in Bestandsanlagen einbauen lässt. Thorsten Wolf, Vertriebsmitarbeiter bei Siemens, erklärt die Entscheidung: „Ursprünglich kam von HANSA Klimasysteme eine Anfrage nach einem IPC, mit dem man eine VPN-Verbindung aufbauen kann. Mir war schnell klar, dass dahinter ein Handling von großen Datenmengen steckt, weshalb ich dann zu einem Edge-Gerät geraten habe."

Edge-Apps für eine intelligente Klimaregelung

SIMATIC IPC227E wird dabei als Edge Gerät im offenen Ökosystem Industrial Edge von Siemens betrieben. Die Edge-App Flow Creator unterstützt dank der grafischen Bedieneroberfläche mit einem Satz vordefinierter Funktionen beim Erstellen einer Lösung für die Datenverarbeitung und Konnektivität. Zudem wird auch die Edge-Applikation LiveTwin genutzt, die sich zu Beginn des Projekts gerade bei Siemens in der Entwicklungsphase befand und die HANSA Klimasysteme dann als Pilotkunde einsetzte. Mit LiveTwin lassen sich Simulationsmodelle auf Edge-Geräten integrieren, um beispielsweise eine vorausschauende Steuerung zu ermöglichen, wie es für das Forschungsprojekt nötig war. „Mit der Edge-App können wir die Modelle, die wir in Matlab Simulink erstellen, in die Sprache des IPCs übersetzen“, fasst Christian Seltz zusammen.

Die Vorteile

Rund 20% Energieeinsparung

Das Ergebnis: Wo früher die Steuerung der Lüftungsanlage lediglich auf eingetretene Ereignisse, wie steigende Besucherzahlen oder höhere Luftfeuchtigkeit reagiert hat, ist nun eine vorausschauende Regelung möglich, bevor bestimmte Ereignisse überhaupt eintreten. In den letzten vier Monaten konnte das Freizeitbad dadurch durchschnittlich rund 20 Prozent Energie einsparen. In einem nächsten Schritt soll diese Komplettlösung auch in anderen Schwimmbädern zum Einsatz kommen – in vier weiteren Schwimmhallen ist das schon der Fall und die Ergebnisse werden bereits validiert.

Doch nicht nur für Schwimmbäder soll die Lösung künftig zugänglich sein. Geplant ist, die Komplettlösung Schritt für Schritt auch auf die anderen Produktlinien zu übertragen und beispielsweise für die Pharma- oder die Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie weiterzuentwickeln. Je nach Kunde und den jeweiligen Anforderungen vor Ort muss dann lediglich das Modell in Matlab Simulink angepasst und mit LiveTwin auf das Edge-Gerät geladen werden. Demnach könnte es vielen Industriekunden bald gehen wie dem Freizeitbad Saterland: Anhand von Livedaten könnten sie eine intelligente, energieeffiziente und somit ressourcenschonende Klimaregelung realisieren.

Natürlich ist das Einsparpotenzial bei Schwimmbädern sehr hoch, da sie zu den energieintensivsten Gebäuden zählen. Doch prinzipiell steht die Grundlage und kann künftig auch in anderen Branchen, bei denen unsere Lüftungsgeräte im Einsatz sind, zur Energieeinsparung beitragen.
Christian Seltz, Leiter der MSR-Abteilung bei HANSA Klimasysteme
Portfolio

Eine Plattform für mehr Transparenz: Industrial Edge von Siemens

Die neue Edge-Computing-Plattform von Siemens besteht aus Edge Geräten, Edge Apps und Edge Konnektivitäten innerhalb einer zentralen Applikations- und Geräte-Management-Infrastruktur. Auf dem IPC läuft nicht nur das modellbasierte Steuerungssystem, sondern auch die Edge-Applikation Flow Creator, die für die problemlose Kommunikation zwischen IPC, SPS und Cloud sorgt.