MEET- EN REGELTECHNIEK  
Install Magazine 986 – oktober 2022

Energiebesparing door een slimme regeling

Predictieve regeling door Builtwins

Er wordt steeds meer gevraagd van gebouweninstallaties. Ze moeten niet alleen voor thermisch comfort zorgen, maar dat moet ook zo zuinig mogelijk gebeuren. Daardoor worden ze ook complexer: dikwijls zien we combinaties van verschillende technieken, met vaak nog meerdere energieproductiesystemen en/of opslag. De gangbare regelmethodes schieten daarvoor tekort, met als gevolg dat die installaties inefficiënt werken. Builtwins, een spinoff van de KULeuven heeft daarvoor een predictieve regeling ontwikkeld die alle componenten van een installatie efficiënt met elkaar kan laten samenwerken.

Predictieve regeling

Een klassieke hysteresis-regeling schiet pas in actie als er een voldoende grote afwijking ten opzichte van het instelpunt is vastgesteld. Dat wil zeggen dat de reactie pas na een zekere tijd voelbaar zal zijn. In een eenvoudige installatie valt het negatieve effect daarvan mee, hoewel men altijd moet rekenen met een zeker comfortverlies vooraleer de regeling een actie onderneemt. In gebouwen met een hoge thermische inertie, bijvoorbeeld met veel beton, voldoet deze aanpak niet, en als de verschillende componenten van de installatie op elkaar kunnen inwerken, wordt het al helemaal moeilijk.

Een proportionele regeling werkt stabieler, maar heeft ook haar beperkingen. Dit is een goede methode om een waarde (bijvoorbeeld de pulsietemperatuur van een luchtgroep) op een setpunt te houden. De vraag is echter welk setpunt gekozen moet worden. Verschillende setpunten hebben doorgaans een verschillende kost. Bovendien is er niet één specifieke comforttemperatuur, maar een zekere temperatuurband voor comfort. Deze flexibiliteit wordt onderbenut. Naarmate er meer elementen gecombineerd moeten worden, schiet ook deze manier van werken tekort.

Een predictieve regeling daarentegen, wacht niet tot er een verstoring optreedt om in te grijpen. Op basis van een digitaal model van het gebouw en van de installatie maakt de regeling voorspellingen van de toestand van het gebouw, en stuurt de HVAC-installatie in functie daarvan aan. Ideaal gezien anticipeert de regeling op het gedrag van de installatie, en vermijdt zo dat er comfortverlies optreedt. Dit is een fundamenteel verschil met gangbare regelingen, die altijd wat achter de feiten aanhollen.

De gebouw- en installatiegegevens worden aangevuld met weersvoorspellingen. Zo kan het systeem anticiperen op een zonnige dag, en er voor zorgen dat er ’s morgens niet teveel verwarmd wordt. Tevens kan het eigenverbruik van een PV-installatie geoptimaliseerd worden, omdat het systeem kan rekening houden met de verwachte zonne-instraling. Dit is ook een goede oplossing voor hybride installaties waar, pakweg, een warmtepomp de basislast dekt, en een ketel bijspringt bij piekvraag. Op basis van de verwachte ontwikkeling van de warmtebehoefte kan de regeling ervoor zorgen dat de basisverwarming zoveel mogelijk werkt, en vermijden dat de ketel voor korte tijd wordt ingeschakeld en zo de warmtepomp wegdrukt.

Builtwins

Een dergelijk systeem ontwikkelen, is gemakkelijker gezegd dan gedaan. Het team van Builtwins is dan ook niet over één nacht ijs gegaan. Het systeem heeft al een lange voorgeschiedenis. Het ontstond 10 jaar geleden als een onderzoeksproject van Filip Jorissen en Damien Picard aan de KU Leuven, en werd gaandeweg verfijnd tot een oplossing die marktrijp is. Dat gebeurde onder meer met uitgebreide veldtests. De regeling werd toegepast in verschillende gebouwen, zoals het WZC Ter Potterie in Brugge, het Fluvius-gebouw in Brussel (tevens voormalige hoofdkantoor van studiebureau Boydens, ondertussen deel van Sweco), het gebouwencomplex Solarwind in Windhof (Luxemburg), en het Hogenheuvel college in Leuven. De resultaten spreken voor zich. Er werd een hoog comfort gehaald, al van de eerste dag, zonder een lange periode van inregelen en bijstellen. Bovendien was er een gemiddelde energiebesparing van 20- 40%, met uitschieters tot 60%.

Dat laatste is bijzonder indrukwekkend, als men weet dat enkele van de gebouwen, bijvoorbeeld Solarwind, ontworpen waren als bijzonder energiezuinige gebouwen. Solarwind is uitgerust met zonnepanelen, zonnecollectoren, thermische opslag, windturbines, een warmtepomp gekoppeld aan betonkernactivering, en een biomassaketel voor pieklasten. Dat het regelsysteem dan nog een energiebesparing realiseerde, is het beste bewijs dat complexe installaties alleen maar hun volle potentieel kunnen bereiken mits een aangepaste regeling.

Eén-op-één digital twin

“Een van de sterktes van deze technologie is dat ze uitgaat van een één-op-één model van het gebouw in de werkelijkheid,” legt Filip Jorissen uit. “Anders gezegd: elke component in het model komt overeen met een component in het gebouw: een sensor, een klep, een verwarmingslichaam. Om het algoritme haalbaar te houden, hebben ontwerpers van geavanceerd regelsystemen wel eens de neiging om verschillende elementen te groeperen. Dan wordt het gebouw bijvoorbeeld ingedeeld in verschillende zones, die elk meerdere ruimtes bevatten. Op dat moment verlies je echter aan detail, en worden de voorspellingen minder nauwkeurig. Je komt dan in de problemen als er verschillende ruimtes binnen een zone een verschillende warmtevraag hebben. Onze regeling zal bijvoorbeeld geen groep van VAV-boxen samen aansturen, maar elke VAV-box afzonderlijk. Die hoge precisie verbetert het comfort, vermindert het energieverbruik en maakt de technologie systematisch toepasbaar.”

Aan de hand van de sensoren in de installatie zal het systeem de gemeten waarden toetsen aan de voorspelde, om zo de nauwkeurigheid van de voorspellingen te verbeteren. Er is dus een constante feedback tussen het model en de werkelijkheid, zodat de regeling rekening kan houden met externe stoorfactoren. “Dat was mooi te zien in de testgebouwen tijdens de coronacrisis,” licht Damien Picard toe. “Dan was er veel minder volk op kantoor, en het systeem schakelde zichzelf in laagstand, omdat het merkte dat er geen vraag was.”

Breed inzetbaar

Er zijn al heel wat regelsystemen op de markt, en zeker commerciële gebouwen worden doorgaans uitgerust met een GBS. Om effectief inzetbaar te zijn, moet het Builtwins-systeem dus compatibel zijn met de gangbare oplossingen. Builtwins is compatibel met Bacnet, en fungeert als een extra laag die de HVAC-componenten aanstuurt. Fysiek vertaalt zich dat in een extra computer of gateway, die verbonden is met de computer of PLC van het GBS. Er zijn geen extra sensoren of bijkomende hardware nodig; het systeem communiceert met de HVAC-installatie over het bestaande GBS.

Tevens wordt er niet ingegrepen in de interne regeling van individuele componenten als het niet nodig is. “We willen het wiel niet opnieuw uitvinden,” zegt Damien Picard. “De fabrikanten van bijvoorbeeld luchtbehandelingskasten weten hoe ze hun toestel moeten aansturen. We hebben daar dikwijls niets aan toe te voegen. We geven dan alleen de instelpunten door aan de bestaande regeling.”

Fouten ontdekken

Het systeem is bestemd voor het beheer van bestaande gebouwen, maar kan ook gebruikt worden als ontwerphulp of voor foutdetectie. “Het is altijd handig als we bij de ontwerpfase betrokken worden, verzekert Filip Jorissen. Het is niet de bedoeling om het werk van de HVAC-ontwerper over te nemen, maar we kijken samen of het ontwerp genoeg vrijheidsgraden heeft om het volledige potentieel te kunnen benutten. Ook na de ingebruikname kunnen we de installateur of studiebureau bijstaan. Als een setpunt niet gehaald wordt, of als het energieverbruik te hoog is, kunnen we de werkelijkheid vergelijken met het verwachte gedrag, en zo vinden we gemakkelijker de oorzaak van het probleem. Op die manier hebben we tijdens een van de veldtests bijvoorbeeld kunnen merken dat een van de pompen in een boorveld defect was, en een klep niet correct afsloot.”

In het kader van de energietransitie zullen gebouwen meer en meer voorzien worden van complexe HVAC-systemen. De ervaring wijst echter uit dat die systemen hun vooropgesteld rendement pas zullen halen als er ook een aangepast regelsysteem is. Builtwins biedt hiervoor een oplossing.

Door Alex Baumans

www.builtwins.com