Institut Nachhaltigkeit und Energie am Bau
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Publikation A commissioning-oriented fault detection framework for building heating systems using SARIMAX models(29.10.2024) Sawant, Parantapa; Eismann, RalphA scalable and rapidly deployable fault detection framework for building heating systems is presented. Unlike existing data-intensive machine learning approaches, a SARIMAX-based concept was implemented to address challenges with limited data availability after commissioning of the plant. The effectiveness of this framework is demonstrated on real-world data from multiple solar thermal systems, indicating potential for extensive field tests and applications for broader systems, including heat pumps and district heating.04B - Beitrag KonferenzschriftPublikation An energy-economic analysis of real-world hybrid building energy systems(IOP Publishing, 11/2021) Sawant, Parantapa; Braasch, Christian; Koch, Manuel; Bürger, Adrian; Kallio, SonjaA coordinated operation of decentralised micro-scale hybrid energy systems within a locally managed network such as a district or neighbourhood will play a significant role in the sector-coupled energy grid of the future. A quantitative analysis of the effects of the primary energy factors, energy conversion efficiencies, load profiles, and control strategies on their energy-economic balance can aid in identifying important trends concerning their deployment within such a network. In this contribution, an analysis of the operational data from five energy laboratories in the trinational Upper-Rhine region is evaluated and a comparison to a conventional reference system is presented. Ten exemplary data-sets representing typical operation conditions for the laboratories in different seasons and the latest information on their national energy strategies are used to evaluate the primary energy consumption, CO2 emissions, and demand-related costs. Various conclusions on the ecologic and economic feasibility of hybrid building energy systems are drawn to provide a toe-hold to the engineering community in their planning and development.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Application and analysis of a model based controller for cooling towers in compression chiller plants(Elsevier, 2020) Sawant, Parantapa; Ho, Eric; Pfafferott, JensCooling towers or recoolers are one of the major consumers of electricity in a HVAC plant. The implementation and analysis of advanced control methods in a practical application and its comparison with conventional controllers is necessary to establish a framework for their feasibility especially in the field of decentralised energy systems. A standard industrial controller, a PID and a model based controller were developed and tested in an experimental set-up using market-ready components. The characteristics of these controllers such as settling time, control difference, and frequency of control actions are compared based on the monitoring data. Modern controllers demonstrated clear advantages in terms of energy savings and higher accuracy and a model based controller was easier to set-up than a PID.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Baumaterialien für Städte im Klimawandel. Ein Materialkatalog mit Empfehlungen(22.09.2023) Hoffmann, CarolineDie gewählten Baumaterialien haben Auswirkungen auf das städtische Mikroklima. Zusätzlich beeinflussen die Materialisierung der Fassade und der Bodenbeläge des Gebäudeumfeldes die Umwelt z.B. im Hinblick auf die Versickerungsfähigkeit, die Akustik oder die Blendung. Der Vortrag gibt einen Einblick in den Katalog und Empfehlungen zur Materialienwahl.06 - PräsentationPublikation Baumaterialien für Städte im Klimawandel. Ein Materialkatalog mit Empfehlungen(18.01.2024) Hoffmann, CarolineDie gewählten Baumaterialien haben Auswirkungen auf das städtische Mikroklima. Zusätzlich beeinflussen die Materialisierung der Fassade und der Bodenbeläge des Gebäudeumfeldes die Umwelt z.B. im Hinblick auf die Versickerungsfähigkeit, die Akustik oder die Blendung. Der Vortrag gibt einen Einblick in den Katalog und Empfehlungen zur Materialienwahl.06 - PräsentationPublikation Baumaterialien für Städte im Klimawandel. Ein Materialkatalog mit Empfehlungen(14.03.2023) Hoffmann, CarolineDie gewählten Baumaterialien haben Auswirkungen auf das städtische Mikroklima. Zusätzlich beeinflussen die Materialisierung der Fassade und der Bodenbeläge des Gebäudeumfeldes die Umwelt z.B. im Hinblick auf die Versickerungsfähigkeit, die Akustik oder die Blendung. Einen Einblick in den Katalog und Empfehlungen zur Materialienwahl erhalten Sie an diesem Abend.06 - PräsentationPublikation Baumaterialien für Städte im Klimawandel. Ein Materialkatalog mit Empfehlungen(27.08.2024) Hoffmann, CarolineDie gewählten Baumaterialien haben Auswirkungen auf das städtische Mikroklima. Zusätzlich beeinflusst die Materialisierung die Umwelt z.B. im Hinblick auf die Versickerungsfähigkeit, die Akustik oder die Blendung. Die Kurzpräsentation gibt Einblick in den Katalog, den derzeitigen Arbeitsstand und macht Empfehlungen zur Materialienwahl.06 - PräsentationPublikation Baumaterialien für Städte im Klimawandel. Materialkatalog mit Empfehlungen(Bundesamt für Wohnungswesen (BWO), 16.06.2022) Hoffmann, Caroline; Geissler, AchimStädte erwärmen sich stärker als ländliche Gegenden. Dieser Materialkatalog zeigt auf, mit welchen Baumaterialien sich die Umwelt weniger erwärmt. Das Nachschlagewerk richtet sich an Planerinnen und Planer sowie Bauträgerschaften, die Gebäude im urbanen Raum erstellen oder sanieren.05 - Forschungs- oder ArbeitsberichtPublikation Bezugsbegrenzung bei Nullenergiegebäuden(Kanton Thurgau, Abteilung Energie, 04/2015) Menn, ClaudioDie energetische Bilanzierung von Nullenergiegebäuden findet zumeist auf einer Jahresbasis statt. Diese Berechnungsgrundlage führt dazu, dass saisonale Unterschiede im Energiebedarf und in der Ertragslage erneuerbarer Energien unberücksichtigt bleiben. Für eine Energiewende ist allerdings die Energieversorgung während den Wintermonaten von zentraler Bedeutung. In diesem Zusammenhang stellt das alternative Bilanzierungskonzept mit einer Bezugsbegrenzung ein zielführendes Instrument dar. Es wird in vorliegendem Artikel exemplarisch aufgezeigt, mit welchen bauplanerischen Auswirkungen bei der Einführung einer Bezugsbegrenzung zu rechnen sind.01B - Beitrag in Magazin oder ZeitungPublikation Comparison of component-oriented and system-oriented modeling in the context of operational energy system analysis(MDPI, 27.06.2022) Beck, Jan-Philip; Sawant, Parantapa; Drauz, Simon Ruben; Schwarz, Jan Sören; Heyer, Annika; Huismann, PhilippSimulation based studies for operational energy system analysis play a significant role in evaluation of various new age technologies and concepts in the energy grid. Various modelling approaches already exist and in this original paper, four models representing these approaches are compared in two real-world hybrid energy system scenarios. The models, namely TransiEnt, µGRiDS, and OpSim (including pandaprosumer and mosaic) are classified into component-oriented or system-oriented approaches as deduced from the literature research. The methodology section describes their differences under standard conditions and the necessary parameterization for the purpose of creating a framework facilitating a closest possible comparison. A novel methodology for scenario generation is also explained. The results help to quantify primary differences in these approaches that are also identified in literature and qualify the influence of the accuracy of the models for application in a system-wide analysis. It is shown that a simplified model may be sufficient for the system-oriented approach especially when the objective is an optimization-based control or planning. However, from a field level operational point of view, the differences in the time series signify the importance of the component-oriented approaches.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Comparison of flexibility factors and introduction of a flexibility classification using advanced heat pump control(MDPI, 13.12.2021) Hall, Monika; Geissler, AchimWith the increasing use of renewable energy, the energy flexibility of buildings becomes increasingly important regarding grid support. Therefore, there is a need to describe this flexibility in a concise manner. For the characterization of building energy flexibility, flexibility factors can be used. The comparison of a selection of existing flexibility factors shows that they are not easy to use or understand for designers and users. A simplification is necessary. The aim of this study is to introduce a flexibility classification that is easy to understand and shows in an easy way if a building already uses the lowest energy cost level or if further improvement is possible. The classification expresses the annual energy costs in colored classes: green (class A) for lowest up to red (class D) for highest level. Basically, the flexibility classes can be derived for any metric of interest, in this paper examples are shown for energy costs and CO2eq emissions. The results given are based on the simulation of load management scenarios with different penalty signals applied for the heat pump operation of a residential building.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Comparison of flexibility factors for a residential building(IOP Publishing, 18.11.2021) Hall, Monika; Geissler, AchimBuildings that are able to shift their loads without comfort restraints are important for the ongoing transformation of the power supply. This flexibility potential can be expressed in flexibility factors. The usefulness of four factors is investigated based on load control for the heat pump of a small apartment building according to electricity prices (high/low tariffs, spot market prices), CO2eq emissions share in the grid and a restricted operation period during daytime. The calculation methodology of the presented flexibility factors GSC, RIP, FF and FI is very different. RIP and FF are preferable because they have defined valid ranges which makes them easier to understand. Current electricity prices force the heat pump operation mainly into the night. The optimization of CO2eq emissions encourages operation mainly during the day. The optimization goals costs or CO2eq emissions thus lead to opposing heat pump operation times and can currently therefore not both be met simultaneously.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Das Potential der passiven Kühlung im Gebäudebestand Bürobauten. Vorschlag einer Typologie(Ernst & Sohn, 01.12.2005) Hoffmann, Caroline; Voss, KarstenBei der passiven Kühlung werden natürliche Wärmesenken (z. B. Nachtluft, Erdreich) verwendet, um gezielt Wärme abzuführen und Speichereffekte zu nutzen. Die beschränkte Leistung der meisten dazu in Frage kommenden Wärmesenken macht eine geringe Kühllast des Gebäudes zur Voraussetzung. Die Sanierung eines Bürogebäudes mit Maßnahmen der passiven Kühlung beginnt mit der Frage, wie gut die Ausgangsvoraussetzungen sind, die das Gebäude für die passive Kühlung bietet. Zur Beantwortung der Frage werden zunächst die relevanten gebäudeunabhängigen und gebäudebezogenen Faktoren erläutert und aus diesen eine Typologie erarbeitet, die die Unterscheidung und Klassifizierung von Gebäuden hinsichtlich ihrer Eignung für die passive Kühlung ermöglicht. Eine “Entscheidungsmatrix” führt abschließend die gebäudeunabhängigen und gebäudebezogenen Parameter zusammen und zeigt so zu einem frühen Planungszeitpunkt, ob ein Gebäude Potential für die passive Kühlung aufweist.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Dekarbonisierung und Ressourcen sparen beim Heizungsersatz(30.03.2023) Hall, MonikaDer Wechsel einer fossil betriebenen Heizung zu Erneuerbaren Energie ist unumgänglich, doch wie einfach ist der Heizungsersatz möglich? Bei dem Ersatz sollte auch auf die Treibhausgasemissionen des neuen Heizsystems für die Erstellung geachtet werden. Es stellt sich die Frage, ob es sinnvoll ist jedes Haus mit einem neuen Heizsystem zu versehen oder ob ein kleiner Wärmeverbund mit einer Zentrale für mehrere Häuser nachhaltiger ist?06 - PräsentationPublikation Demonstration of optimal scheduling for a building heat pump system using eEconomic-MPC(MDPI, 2021) Sawant, Parantapa; Villegas Mier, Oscar; Schmidt, Michael; Pfafferott, JensIt is considered necessary to implement advanced controllers such as model predictive control (MPC) to utilize the technical flexibility of a building polygeneration system to support the rapidly expanding renewable electricity grid. These can handle multiple inputs and outputs, uncertainties in forecast data, and plant constraints, amongst other features. One of the main issues identified in the literature regarding deploying these controllers is the lack of experimental demonstrations using standard components and communication protocols. In this original work, the economic-MPC-based optimal scheduling of a real-world heat pump-based building energy plant is demonstrated, and its performance is evaluated against two conventional controllers. The demonstration includes the steps to integrate an optimization-based supervisory controller into a typical building automation and control system with off-the-shelf HVAC components and usage of state-of-art algorithms to solve a mixed integer quadratic problem. Technological benefits in terms of fewer constraint violations and a hardware-friendly operation with MPC were identified. Additionally, a strong dependency of the economic benefits on the type of load profile, system design and controller parameters was also identified. Future work for the quantification of these benefits, the application of machine learning algorithms, and the study of forecast deviations is also proposed.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Determine the heat demand of existing buildings with machine learning(IOP Publishing, 01.12.2023) Hofmann, Joachim Werner; Amoser, Christian; Geissler, Achim; Hall, MonikaThe renovation rate of existing buildings plays a major role in the Swiss Energy Strategy 2050+. To increase this rate, there must be a simple and cost-effective method to determine the heat demand of existing buildings. In this paper, the generation of such a method, based on the Swiss cantonal building energy certificate (GEAK) database with the help of machine learning (ML), is studied. The aim of the project was to develop a ML model which allows the heat demand of existing buildings to be determined quickly with a minimal set of parameters. The comparison of the GEAK building envelope class for single family houses calculated with the new ML model and the original GEAK classes shows that approximately 62 % have the same class, 32 % differ by one class and 6 % by two classes. The ML model is a good starting point for further refinements and developments.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Developing energy flexibility in clusters of buildings. A critical analysis of barriers from planning to operation(Elsevier, 05.10.2023) Le Dréau, Jérôme; Lopes, Rui Amaral; O'Connell, Sarah; Finn, Donal; Hu, Maomao; Queiroz, Humberto; Alexander, Dani; Satchwell, Andrew; Österreicher, Doris; Polly, Ben; Arteconi, Alessia; de Andrade Pereira, Flavia; Hall, Monika; Kırant-Mitić, Tuğçin; Cai, Hanmin; Johra, Hicham; Kazmi, Hussain; Li, Rongling; Liu, Aaron; Nespoli, Lorenzo; Saeed, Muhammad HafeezThis paper examines building energy flexibility at an aggregated level and addresses the main barriers and research gaps for the development of this resource across three design and development phases: market and policy, early planning and design, and operation. We review methodologies and tools and discuss barriers, challenges, and opportunities, incorporating policy, economic, technical, professional, and social perspectives. Although various legal and regulatory frameworks exist to foster the development of energy flexibility for small buildings, financing mechanisms are limited with a significant number of perceived risks undermining private investment. For the early planning and design phase, planners and designers lack appropriate tools and face interoperability challenges, which often results in insufficient consideration of demand response programs. The review of the operational phase highlighted the socio-technical challenges related to both the complexity of 2 deployment and communication, as well as privacy and acceptability issues. Finally, the paper proposes a number of targeted research directions to address challenges and promote greater energy flexibility deployments, including capturing building demand side dynamics, improving baseline estimations and developing seamless connectivity between buildings and districts.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Development and experimental evaluation of grey-box models of a microscale polygeneration system for application in optimal control(Elsevier, 2020) Sawant, Parantapa; Bürger, Adrian; Doan, Minh Dang; Felsmann, Clemens; Pfafferott, Jens01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Die zerstörungsfreie Messung des U-Wertes von Aussenbauteilen. Eine Anwendungshilfe(EnergieSchweiz, 01.10.2021) Hoffmann, Caroline; Geissler, AchimU-Wert Messungen vor Ort eigenen sich für Gebäude, bei denen die Konstruktion unbekannt ist und eine zerstörungsfreie, sichere Aussage zu den thermischen Eigenschaften getroffen werden soll. Die entsprechenden Messgeräte sind am Markt erhältlich und zielen auf eine breite Anwendung. Ziel des Projektes ist es, eine praxisorientierte Anwendungshilfe für die U-Wert Messung vor Ort zu erstellen. Als Basis dienen in-situ U-Wert Messungen und vergleichende Messungen im Labor, die mit drei unterschiedlichen Messgeräten durchgeführt werden. Ergänzend dazu werden Simulationen erstellt und Kontakt- und Haftmittel zur Befestigung der Sensoren an den zu messenden Bauteilen getestet. Untersucht werden schwere, homogene Bauteile, damit beziehen sich die Hinweise hauptsächlich auf diesen Bauteiltyp.05 - Forschungs- oder ArbeitsberichtPublikation Edelschrott oder nutzbare Ressource? Gebrauchte Fahrzeugakkus auf dem Weg zum neuen Leben als Hausstromsspeicher(08/2016) Dorusch, FalkDie Zahl rein elektrisch betriebener Fahrzeuge steigt stetig an. Besonders die Zahl an Pedelec -ElektrovVelos nimmt seit Jahren zu. Fahrzeugakkus, die nicht mehr den Reichweiten-Ansprüchen der Nutzer entsprechen, werden in der Lebenszeit der Fahrzeuge oft mehrfach ausgetauscht. Untersuchungen zeigen jedoch, dass gebrauchte Akkus kein Elektroschrott sind, sondern noch über einen längeren Zeitraum als stationärer Elektrizitätsspeicher für den Strom einer Photovoltaikanlage genutzt werden können. Diese Art der Nachnutzung ist aus zwei Gründen ökologisch besonders sinnvoll. Zum einen hilft ein Batteriespeicher, auf dem Gebäudedach produzierten Solarstrom besser selbst zu nutzen. Zum anderen schont die längere Nutzung der mit erheblichen Ressourcen- und Energieaufwand hergestellten Fahrzeugakkus die Umwelt. Das Institut Energie am Bau der Fachhochschule Nordwestschweiz (IEBau FHNW) begleitet im Rahmen der 2000-Watt-Gesellschaft – Pilotregion Basel Pilot- und Demonstrationsprojekte in den Bereichen Bauen, erneuerbare Energien und Fahrzeuge01B - Beitrag in Magazin oder Zeitung