Hallenbäder sind energieintensive Gebäude. Prädiktive, KI-gestützte Steuerungen der Lüftungssysteme bieten eine hervorragende Möglichkeit, Energie zu sparen. Die Hochschule Emden und HANSA Klimasysteme arbeiteten an diesen Steuerungen mit Geräten und Anwendungen von Siemens Industrial Edge zusammen.
Ende 2017 schloss sich die HANSA Klimasysteme GmbH mit der Hochschule Emden für ein von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördertes Forschungsprojekt zusammen. Ziel des Projekts war es, die optimalen Bedingungen in einem Hallenbad in Bezug auf Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu erreichen und gleichzeitig so energieeffizient wie möglich zu sein. Das Projektteam arbeitete mit einem nahegelegenen Hallenbad und der neuen Siemens-Technologie. Industrial Edge.
Betreiber von Hallenbädern sollten ihre Energiekosten genau im Auge behalten. Gleichzeitig müssen sie auch sicherstellen, dass die Besucher ein angenehmes Erlebnis haben. Zu diesem Zweck müssen die Temperaturen ziemlich warm gehalten werden. Gleichzeitig muss die Luftfeuchtigkeit relativ niedrig sein, um Schäden am Gebäude zu vermeiden. Das ist keine leichte Aufgabe, wenn man bedenkt, dass Wasser bei 30 °C mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,4 Litern pro Stunde und Quadratfuß Oberfläche verdunstet.
Die HANSA Klimasysteme GmbH ist ein mittelständisches Unternehmen mit Sitz in Saterland, Deutschland, mit über 170 Mitarbeitern. Die Hauptprodukte sind Lüftungs- und Klimaanlagen für Rechenzentren, industrielle Anwendungen und Schwimmbäder. Das Portfolio ist in mehrere Produktlinien unterteilt, die auf verschiedene Branchen und Anwendungen abzielen.
Das Freizeitschwimmbad Saterland, das nur wenige Kilometer vom Hauptsitz von HANSA Klimasysteme entfernt liegt, war zu Beginn des Forschungsprojekts im Jahr 2017 auf der Suche nach einem neuen Belüftungssystem, und das Unternehmen wurde kontaktiert. Das Schwimmbad wurde mit einem neuen Belüftungssystem ausgestattet und konnte als Forschungsprojekt genutzt werden. Im Gegenzug konnte das Unternehmen zusätzliche Sensoren im Gebäude und an der Anlage installieren und zu Forschungszwecken jederzeit auf den Pool zugreifen.
In Zusammenarbeit mit Schwimmbad, HANSA Klimasysteme und dem Forschungsprojekt der Fachhochschule Emden wurden ein Jahr lang Daten von Sensoren gesammelt, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Energieverbrauch sowie Wetterbedingungen oder Besucherzahl. Parallel wurde ein auf einem neuronalen Netzwerk basierendes Modell mit diesen Daten gefüttert. Dieses KI-basierte Modell bestimmt und optimiert seine Steuerparameter selbstlernend. Es erkennt, welche Maßnahme am besten geeignet ist, um die angestrebten Bedingungen in der Schwimmbadhalle mit der höchstmöglichen Energieeffizienz zu erreichen.
Es stellte sich schnell heraus, dass das modellbasierte Steuerungssystem eine Plattform benötigte, auf der es laufen sollte, die als Schnittstelle zur SPS dienen und den Zugriff auf die notwendigen Daten ermöglichen konnte. Und so machte sich HANSA Klimasysteme auf die Suche nach einem geeigneten IPC (Industrie-PC) — und fand ihn bald im industriellen Edge-Gerät SIMATIC IPC227E, das Teil des Siemens-Portfolios ist. Es erfüllte nicht nur die erforderlichen Sicherheitsstandards und allgemeinen Industriestandards, sondern bot auch ein hohes Maß an Konnektivität, sodass es einfach in bestehende Systeme integriert werden konnte.
HANSA Klimasysteme kam ursprünglich mit der Anfrage nach einem IPC zu uns, mit dem eine VPN-Verbindung hergestellt werden kann. Mir wurde schnell klar, dass sie mit riesigen Datenmengen umgehen würden, und riet ihnen, ein Edge-Gerät zu verwenden.
SIMATIC IPC 227E wird als Edge-Gerät im offenen Ökosystem Industrial Edge von Siemens betrieben. Dank der grafischen Benutzeroberfläche, die eine Reihe vordefinierter Funktionen enthält, ist die Edge-App Flow Creator erleichtert die Erstellung einer Datenverarbeitungs- und Konnektivitätslösung. Darüber hinaus ist die Edge-Anwendung LiveTwin wird ebenfalls verwendet, was sich zu Beginn des Projekts bei Siemens gerade in der Entwicklungsphase befand, weshalb HANSA Klimasysteme es als Pilotprojekt betrieb. LiveTwin ermöglicht es, Simulationsmodelle auf Edge-Geräten zu integrieren, um beispielsweise prädiktive Steuerungen zu ermöglichen, wie sie für das Forschungsprojekt benötigt werden. „Mit der Edge-App konnten wir die Modelle, die wir in Matlab Simulink erstellt haben, in die Sprache des IPC übersetzen“, sagt Christian Seltz.
Bisher reagierten die Steuerungen des Lüftungssystems lediglich auf Ereignisse, sobald sie eintraten, wie z. B. erhöhte Besucherzahlen oder erhöhte Luftfeuchtigkeit. Jetzt ist es in der Lage, prädiktive Anpassungen vorzunehmen — das heißt, bevor Ereignisse überhaupt stattfinden. In den letzten vier Monaten haben diese Kontrollen es dem Schwimmbad ermöglicht, seinen Energieverbrauch um rund 20 Prozent zu senken. Der nächste Schritt besteht darin, diese Komplettlösung in weiteren Hallenbädern zu implementieren. Tatsächlich wurde es bereits in vier weiteren Pools installiert und die Ergebnisse werden derzeit validiert.
Doch die Lösung wird in Zukunft nicht nur für Schwimmbäder verfügbar sein. Es ist geplant, die Komplettlösung schrittweise auf die anderen Produktlinien anzuwenden und weiterzuentwickeln, beispielsweise für die Pharma- oder Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Das Modell müsste lediglich in Matlab Simulink an die beteiligten Kunden und die Anforderungen vor Ort angepasst und mit SIMATIC LiveTwin auf das Edge-Gerät geladen werden. Viele Industriekunden könnten die gleiche Erfahrung machen wie der Pool Saterland: Sie könnten auf der Basis von Live-Daten eine intelligente, energieeffiziente und damit ressourcenschonende Klimatisierung erreichen.
Natürlich ist das Einsparpotenzial bei Hallenbädern sehr hoch, weil ihr Betrieb so energieintensiv ist. Diese Prinzipien können aber auch in anderen Branchen angewendet werden, um überall dort, wo unsere Lüftungssysteme eingesetzt werden, Energieeinsparungen zu erzielen.
Die neue Edge-Computing-Plattform von Siemens besteht aus Edge-Geräten, Apps und Konnektivität in einer zentralen Verwaltungsinfrastruktur. Der IPC betreibt das modellbasierte Steuerungssystem und die Flow Creator Edge-Anwendung und gewährleistet so eine reibungslose Kommunikation zwischen dem IPC, der SPS und der Cloud.
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