MEET- EN REGELTECHNIEK
Install Magazine 993 – oktober 2023
Meer efficiëntie door predictieve sturing
Builtwins in de praktijk
Het systeem werd onder meer getest in het toenmalige hoofdkantoor van studiebureau Boydens. Bron: (https://builtwins.com/project/)
In het WZC van Mintus in Brugge kon men dankzij de regeling het elektrisch verbruik met 22% doen dalen. Bron: (https://builtwins.com/project/)
Verschil in energieverbruik voor HVAC tussen een MPC en een regelgebaseerde strategie. Als het gebouw in gebruik is, kan men een aanzienlijke besparing realiseren.
Een Model Predictive Controller vertrekt van een model van een gebouw om een optimale regelstrategie te ontwikkelen in functie van de doelstellingen en de randvoorwaarden.
Schematische voorstelling van de werking van verschillende controlestrategieën. De MPC (onder) haalt betere resultaten omdat de regeling anticipeert op wijzigende omstandigheden.
Naarmate gebouweninstallaties efficiënter worden, worden ze ook complexer. We zien meer en meer gevallen van hybride installaties, met een systeem voor basislast en een voor pieklasten, en/of combinaties van actieve en passieve technieken. Dat vereist een aangepaste regeling om ervoor te zorgen dat alles naar behoren werkt. In de praktijk is dat minder evident, met als gevolg dat het werkelijke verbruik sterk kan afwijken van het berekende. Builtwins, een bedrijf ontstaan uit de onderzoeksgroep van Prof. Lieve Helsen (KU Leuven), wil daaraan verhelpen met een predictieve regeling, gebaseerd op een digitaal model van het gebouw. Op een studiedag aan de KU Leuven werden de eerste praktijkervaringen voorgesteld.
Ingrijpen voor het te laat is
Predictieve regeling kan men best omschrijven als ‘ingrijpen voor het te laat is’. In dit aspect is het dus fundamenteel verschillend van de gangbare regelsystemen. Of het nu gaat om een simpele thermostaat of een complexe sturing, het signaal om in te grijpen komt er pas nadat er een zekere instelwaarde overschreden is. Met andere woorden, de regeling holt per definitie achter de feiten aan, want de afwijking is al opgetreden. Een predictieve regeling, daarentegen, maakt een analyse van het gedrag van het gebouw en de installatie, en neemt op basis daarvan actie om te voorkomen dat de instelwaarden overschreden zouden worden. De analyse gebeurt aan de hand van een gebouwenmodel, zodat het systeem bekend staat als ‘model predictive control’ (MPC).
Dat biedt beter comfort en een efficiëntere werking. Met een traditionele regeling kan het gebeuren dat een gebouw in de voormiddag verwarming nodig heeft, maar later op de dag moet overschakelen op koeling, omdat er ondertussen allerlei warmtewinsten zijn bijgekomen. Dat is niet alleen weinig comfortabel voor de gebruikers, het is ook energieverspillend omdat een deel van de warmte die ’s morgens geproduceerd werd, nadien weer moet weggekoeld worden. Een predictieve regeling kan echter voorkomen dat er oververwarming optreedt door op tijd de verwarming uit te zetten. Dat vermijdt oncomfortabele temperaturen, terwijl zowel de verwarming als de koeling minder moeten werken.
Een gebouwmodel
Om dergelijke voordelen te benutten, hebben Damien Picard en Filip Jorissen, twee voormalige doctoraatstudenten aan de KU Leuven, Builtwins opgericht, wat een dienst voor predictieve regeling aanbiedt . Hun werk vloeide voort uit onderzoek door de afdeling Systems Simulation, geleid door Lieve Helsen, die werkte aan intelligente regelstrategieën, onder meer voor betonkernactivering.
Het duo koos radicaal voor een transparant model. Bij dit laatste heeft de gebruiker inzicht en invloed op de werking van het systeem. Dit in tegenstelling tot een black box, waarbij het systeem output genereert volgens een volledig afgeschermde logica en algoritme. Bij Builtwins wordt er een digitaal model van het gebouw gemaakt, waarin onder meer het thermisch gedrag van de bouwmassa en de werking van alle installatiecomponenten worden opgenomen. Aan de hand hiervan maakt het systeem voorspellingen, rekening houdend met ervaringsgegevens en meteorologische data.
Volle potentieel van gebouwen benutten
Het concept werd eerst binnen het Europese onderzoek HybridGeotabs uitgetest in drie gebouwen: een kantoor van Fluvius in Dilbeek, tevens ook de hoofdzetel van het toenmalige studiebureau Boydens, een kantoorgebouw in Luxemburg-stad en een woonzorgcentrum van Mintus in Brugge. Daar kwamen later nog enkele pilootprojecten bij, waaronder twee gebouwen van de KU Leuven. Uit de resultaten blijkt dat er zelfs bij moderne energiezuinige gebouwen er nog heel wat winst te halen is uit een geoptimaliseerde regeling. Zowel het kantoorgebouw van Boydens als het WZC waren immers nieuwbouw met performante zuinige technieken. In principe zou er dus weinig marge voor verbetering mogen zijn. Toch slaagde men er met Builtwins in om 36% te besparen op HVAC bij Boydens en 22% op het elektriciteitsverbruik in het WZC in Brugge. Men kan zich dus afvragen in welke mate alle andere theoretisch zeer energiezuinige gebouwen in de praktijk onder hun werkelijke potentieel scoren. De getuigenissen van zowel de KU Leuven als Mintus waren dan ook zeer positief over de toepassing van Builtwins.
Laaghangend fruit
Fouten in de uitvoering of de instellingen verhelpen, wordt in het algemeen gezien als een snelle winst, het zogenoemde ‘laaghangend fruit’. Een MPC is een bijzonder efficiënte manier om dit te bereiken, omdat systematische verschillen tussen de voorspelde prestaties en de werkelijke snel worden opgemerkt. Bruno Motten van de technische diensten van de KU Leuven noemde een MPC zelfs een constante pluk van laaghangend fruit, net omdat de beheerder gewezen wordt op mogelijke fouten.
Kurt Corvers van het studiebureau Sweco haakte hierop in. Voor hem geeft een MPC een studiebureau meer mogelijkheden om een gebouw tijdens zijn latere gebruik op te volgen, en dus ook verdere dienstverlening te bieden. Nu vertrekt men nog te veel van het principe van ‘build and forget’. In het beste geval volgt er na de opstart een commissioning fase, maar eenmaal is alles is opgeleverd wordt er door de ontwerper doorgaans niet meer naar de goede werking omgezien. De dagelijkse werking wordt dan bepaald door de gebruiker, meestal bijgestaan door een onderhoudsfirma. Deze laatste werd echter niet noodzakelijk betrokken in het ontwerp en aanleg van de installatie. Door een installatie echter te koppelen aan een MPC, kan de ontwerper ook later nagaan of alle vooropgestelde doelen wel bereikt zijn en -belangrijker nog- meteen zien of en waar er afwijkingen zijn.
Dat die aanpak in de praktijk goede resultaten levert, wordt bevestigd door de ervaring van Mintus met Builtwins in van hun woonzorgcentra. Als zorginstelling zijn ze in de eerste plaats bekommerd om hun kerntaken, en het team voor technisch beheer van gebouwen is eerder klein. Ze proberen hun eigen kennis dan ook waar mogelijk aan te vullen met extra expertise van externe firma’s. Het Builtwins concept past hier volledig in: Mintus krijgt een overzicht van de prestaties van het gebouw, zonder zich in alle bouwkundige details te moeten verdiepen.
Kortom, MPC biedt voordelen op verschillende vlakken. In de eerste plaats is er de directe aansturing van de installatie, maar daarnaast is het ook een instrument voor een efficiënt energiebeheer.
Door Alex Baumans
Foto’s: Builtwins
