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2. November 2015
Gebäudeenergie- und –informationstechnik (GEIT)
Anwendung und Forschung im Bereich der
heterogenen Gebäudeautomation
Dipl. Ing. Mario Betros, Prof. Dr. Nils T. Siebel
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Der Studiengang Gebäudeenergie- und –informationstechnik
• Kombiniertes Studium der Energietechnik (Energie-, Umwelt-,
Klima- und Heizungstechnik) und der angewandten Automation
• Forschung im Bereich der Anwendung heterogener
Gebäudeautomation, MSR und Versorgungstechnik
• Planungs- und anwendungsbezogenes Studium
• Zielsetzung:
Sicheres und optimales Anwenden der Gebäudeautomation unter
energetischen und integrationsplanerischen Aspekten
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Der Studiengang Gebäudeenergie- und –informationstechnik
Wärmeerzeugung
BACnet Gebäudeautomation –
der Schlüssel für integratives
Betreiben von komplexen
technischen Systemen
Klima, Lüftung
USV, Notstrom
Kälteerzeugung
Aufzüge
Heizung
Systemintegration
Systemautomation
Informationsmanagement
Krisenmanagement
Security, Zutritt
Sanitär
Brandschutz
Beleuchtung
Elektro
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Sonnenschutz
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Forschungen, Abschlussarbeiten und Weiterqualifizierung
• Forschungsarbeit:
• Patentierte Hydraulikregelung OpDeCoLo
– 0ptimized Dehumidification Control Loop
• Ist ein optimierter Regel- und Steuerungsalgorithmus für die
Zuluftentfeuchtung unter besonderer Berücksichtigung der
Behaglichkeit (Komfortaspekt) bzw. technischer Grenzparameter
(für technische Anlagen)
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Patentierte Hydraulikregelung OpDeCoLo
•
Schaltung 1: Luftkühler, beimischgeregelt
•
•
•
•
Konstanter Massenstrom, variable
Temperatur am Vorlauf
Kühlung ohne Entfeuchtung
Geeignet nur für reine Kühlzwecke, da
zur Entfeuchtung erst bis zur TaupunktTemperatur heruntergekühlt werden
müsste. => Energieverschwendung
Schaltung 2: Luftkühler, mengengeregelt
•
•
•
•
Variable Wassermenge (Massenstrom),
konstante Temperatur am Vorlauf.
Kühlung mit Entfeuchtung auch bei
geringer Last.
Benötigt mehr Kühlenergie um die Luft
von A nach B abzukühlen.
Für Entfeuchtung in Klimaanlagen besser geeignet.
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Patentierte Hydraulikregelung OpDeCoLo
•
Punkte, die in dem orangefarbenen Feld zwischen
den beiden Strecken 1 – 2 – 5 und 1 – 3 – 4 – 5 liegen,
sind ohne besondere bauliche Aufwendungen an der Anlage
nicht erreichbar.
•
OpDeCoLo bietet eine intelligente Möglichkeit durch den
Einsatz einer drehzahlgeregelten Pumpe die beiden
Vorteile der hydraulischen Schaltungen miteinander
zu kombinieren. Dabei ist die Kühlmitteleintrittstemperatur
(Beimischkomponente) für die Entfeuchtung, die
Kühlmittelmenge (Mengenkomponente) für die TemperaturReduktion verantwortlich.
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Patentierte Hydraulikregelung OpDeCoLo
Ort
spezifischer Jahreskühlenergiebedarf in Prozent
 kJ

 kg
kg
h
h 

a 
beimischgeregelter
Luftkühler
mengengeregelter
Luftkühler
OpDeCoLo
24 h Betrieb
100
96
90
12 h Betrieb
100
98
90
Mannheim
2,5 Milliarden € /a werden für die Gebäudekühlung in Deutschland ausgegeben. Quelle VDI Nachrichten 02/2010
Durch den Einsatz von OpDeCoLo kann fast 10 % der eingesetzten Kühlenergie für RLT eingespart werden,
ohne dass qualitative Einbußen an der Raumklimaqualität wirksam werden.
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Forschungen, Abschlussarbeiten und Weiterqualifizierung
• Diplomarbeit:
• Kaltgangvolumenstromregelung für Rechenzentren
– Ist ein Regel- und Steuerungsalgorithmus für die energieoptimierte
Kühlung von Rechenzentren, deren Rackanordnung in Kalt- und
Warmgangzonen aufgeteilt ist.
– Unterstützt die freie und bivalente Kälteerzeugung bei RZ.
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Kaltgangvolumenstromregelung für Rechenzentren
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Kaltgangvolumenstromregelung für Rechenzentren
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Kaltgangvolumenstromregelung für Rechenzentren
Messprinzip:
•
Die Kaltluft passiert zuerst den Doppelboden und durchströmt die perforierten
Doppelbodenplatten mit dem Volumenstrom V 1, um im Kaltgang die Temperatur T1
sicherzustellen.
•
Die Serverlüfter fördern den unbekannten Volumenstrom V 2 durch die Serverschränke,
sodass sich die Luft auf Temperatur T2 erwärmt. Der Volumenstrom V 3strömt als
Ausgleichsströmung durch die Messöffnung, wodurch sich eine Temperaturänderung am
Messpunkt T3 ergibt.
•
Mit diesem Messpunkt lässt sich auf die Volumenströme der Server-Racks rückschließen.
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Kaltgangvolumenstromregelung für Rechenzentren
Erstes Szenario: Rackvolumenstrom gleich eingebrachter Volumenstrom
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Kaltgangvolumenstromregelung für Rechenzentren
•
Erstes Szenario: Rackvolumenstrom gleich eingebrachter Volumenstrom
•
Der durch die Server strömende Volumenstrom entspricht dem im Kaltgang
eingebrachten Volumenstrom.
•
Es treten dadurch keine Druckdifferenzen auf.
•
In der Messöffnung stellt sich durch den fehlenden Volumenstrom eine Mischtemperatur
von ca. 20 ° C ein.
•
Die FU bleiben konstant auf der eingestellten Drehzahl stehen.
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Kaltgangvolumenstromregelung für Rechenzentren
Zweites Szenario: Rackvolumenstrom höher als eingebrachter Volumenstrom
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Kaltgangvolumenstromregelung für Rechenzentren
•
Zweites Szenario: Rackvolumenstrom höher als eingebrachter Volumenstrom
•
Der durch die Server strömende Volumenstrom ist höher als der im Kaltgang eingebrachte
Volumenstrom.
•
Es tritt dadurch Unterdruck im Kaltgang auf.
•
In der Messöffnung stellt sich durch den einströmenden Volumenstrom eine um 7K höhere Temperatur
im Vergleich zu Szenario 1 als im Kaltgang ein.
•
Die Drehzahlen der FU der ULKG des jeweiligen Kaltgangs werden solange angehoben, bis wieder
ein ausgeglichenes Mischtemperaturverhältnis an der Öffnung entsteht.
Temperaturdifferenz zwischen
Szenario 1 und Szenario 2
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Kaltgangvolumenstromregelung für Rechenzentren
Drittes Szenario: Rackvolumenstrom ist kleiner als eingebrachter Volumenstrom
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Kaltgangvolumenstromregelung für Rechenzentren
•
Drittes Szenario: Rackvolumenstrom kleiner als eingebrachter Volumenstrom
•
Der durch die Server strömende Volumenstrom ist niedriger als der im Kaltgang
eingebrachte Volumenstrom.
•
Es tritt dadurch Überdruck im Kaltgang auf.
•
In der Messöffnung stellt sich durch den einströmenden Volumenstrom im Vergleich zum
ersten Szenario eine um 3K niedrigere Temperatur ein, die der Kaltgangtemperatur
entspricht.
•
Die Drehzahlen der FU der ULKG des jeweiligen Kaltgangs werden solange abgesenkt,
bis wieder ein ausgeglichenes Mischtemperaturverhältnis an der Öffnung entsteht.
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Kaltgangvolumenstromregelung für Rechenzentren
•
Kostenreduzierung:
•
Gerechnet wurde mit 15 ULKG mit einem Einzelvolumenstrom von 31.500 m3/h. Die ULKG enthalten
jeweils 3 Einzelventilatoren zu 6,3 kW.
•
Die Geamtleistung für 15 ULKG beträgt 283,5 kW. Dies entspricht einer Arbeit je Jahr von 2.500 MWh.
•
Durch Einsatz der Regelung reduziert sich der Verbrauch auf ca. 1.270 MWh.
•
Durch die jetzt bedarfsgerecht geregelten Ventilatoren werden umgerechnet ca. 127.000,00 € je Jahr
eingespart.
•
Sofern die Kaltgänge bereits eingehaust sind, müssen lediglich Sensoren und möglicherweise I/O
sowie das DDC-Programm nachgerüstet werden.
•
Diese Investitionen schwanken somit in Abhängigkeit des Ausbauzustands zwischen etwa 10.000,00 €
und etwa 50.000,00 €, je nach Ausbauzustand und Größe des Rechenzentrums.
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Forschungen, Abschlussarbeiten und Weiterqualifizierung
• Bachelorarbeit:
• Umbrella-Systeme, Cluster-Systeme
– Integration verschiedener Managementsysteme zu einem UmbrellaSystem für das Monitoring aller TGA-Systeme in einem
hochverfügbaren Rechenzentrum nach TIER IV, TIA 942.
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Was kostet ein Ausfall eines Rechenzentrums? (Direkt messbare Kosten)
Geschäftsfeld
Branche
Verluste in T€/Stunde
Finanzwesen
Börse
11.900
Finanzwesen
Geldhandel / Versicherungen
4.300
Medien
Pay-TV
Großhandel
Über TV
Großhandel
Über Kataloge
165
Tourismus
Buchungsdienste
165
Logistik
Paketdienste, Post
280
210
50
Quelle: AT&T Gartner TPPC 2002
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Der Betrieb eines Rechenzentrums.
Gesetzliche Vorschriften
Betriebsvorschriften
Normen (nicht vollständig)
GEFMA
100
DIN 31051
VDMA
24196
ITIL
ISO 20000
TIA 942
BSI 100
ISO
27000
ISO
50001
Rechenzentrum
Managementsysteme
Zertifizierungen
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ISO
14001
ISO
9001
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BSI
TÜV-IT
BICSI
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Der Betrieb eines Rechenzentrums.
Notwendige Informationen zum Betreiben
eines Rechenzentrums (365 / 7 / 24)
Versorgungsund sicherheitstechnische
Systeme
VDMA 24196
CAFM
ISO 50001
ISO 14001
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Informationstechnische
Systeme
Systemverwaltung
ITIL
BSI
ISO 20000
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Operating
Implementierung
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35%
Fehlereinflussgrößen für Betriebsausfälle in Rechenzentren
30%
25%
5%
0%
Zahlenquelle: APC Whitepaper #6
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Äußere
Einflüsse
10%
IT-/ NW-Planungsanforderungen
Design
15%
TGA-Planungsanforderungen
Konstruktion
20%
Bedienerfehler
Technische Fehler
Ergonomische Anforderungen an Informationssysteme
Ca. 60% der Ausfälle werden durch Menschen direkt ausgelöst oder verschlimmert.
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Ergonomie und Verfügbarkeit
•
Schaffung eines übergeordneten Managementsystems:
Vernetzung aller alarmgebenden Systeme möglichst mit einheitlichem
Protokoll, so dass Daten innerhalb des abgestimmten Interoperabilitätsbereiches allen Systemen gegenseitig zur Verfügung stehen.
• Homogene, einfache und benutzerfreundliche Bedienung
• Sicherheitsaspekte in Bezug auf die Sicherheitslage der Rechenzentren
•
(Redundanzen, Manipulationssicherheit, Dokumentationssicherheit )
• Hilfe bei Störfällen, intelligente Entstressung
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Krisenmanagement
Eskalation des Ereignisses, wenn
Maßnahmen nicht gegriffen haben oder
Ereignis unbemerkt bleibt
Forschung und Entwicklung konzentrieren
sich auf die Zeit vor Eintritt des Schadenereignisses sowie auf die Verkürzung von
Vorwarn- und Entdeckungszeit.
Identifikation geeigneter Parameter zur
Prognosebildung.
Unterstützung durch ergonomischere
Gestaltung der Bedienung und Alarmierung
von Managementsystemen und der
Entstressung zur Vermeidung menschlicher
Fehlbedienungen.
Schadensereignis
Vorwarnzeit
Entdeckungszeit
Reaktionszeit
Ereignisbewältigung
Zeit
Kritische Ausfallzeit
Frühwarnindikatoren
negative Veränderung
Alarmindikatoren,
welche Alarm auslösen
Eskalationsindikatoren
Eintritt
des Schadenereignisses
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Erfolgsfaktoren eines Krisenmanagements im Rechenzentrum
•
Homogene und einheitliche Bedienoberfläche für alle krisenrelevanten Systeme
•
Programmierte Intelligenz im Umbrella-System, um Unterstützung bei technischen Problemen zu geben
•
Implementierung der Notfall- und Alarmpläne
•
Keine Unterscheidung, aus welchem System eine krisenrelevante Störung kommt.
•
Alle krisenrelevanten Störungen werden gefiltert, priorisiert und zu einer eindeutigen
Handlungsanweisung geführt, die innerhalb eines bestimmten Zeitfensters abgearbeitet werden muss.
•
Schneller Neuaufbau einer temporären Sicherheitsleitzentrale bei Zerstörung der Hauptleitzentrale auf
Basis IP-basierter Systeme.
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Lösungen
•
Virtualisierung der Leitzentralsoftwarelösungen
•
Redundanz der Leitzentralsoftwarelösungen
•
Clustering der Hardwareplattformen zur Schaffung einer hochverfügbaren Rechner-Hardwarebasis
•
Hochredundant ausgelegtes, breitbandiges und fehlertolerantes IP-Übertragungsnetz ohne
Umschaltmechanismen
•
Implementiertes Krisenmanagement
•
Einheitliche Bedienoberflächen und einheitliche Bedienung eines Umbrella-Leitsystems
•
Redundante und hochverfügbare Automationsstationen
•
BACnet/IP
•
Lösungen müssen individualisiert anpassbar sein.
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Forschungen, Abschlussarbeiten und Weiterqualifizierung
• Weiterqualifizierung:
– Masterstudiengang angewandte Automation
– Mitarbeit im BIG / AMEV-Arbeitskreis „Qualifikation von GA-Planern“
– Zukünftige Ausbildungs- und Prüfungseinrichtung für die
Weiterqualifikation von Ingenieuren für die GA-Planung.
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Kontakt und Informationen
Prof. Dr. Nils T.Siebel
Dipl. Ing. Mario Betros
Studiengangssprecher GEIT
Lehrbeauftragter Gebäudeautomation
Wilhelminenhofstraße 75A
Wilhelminenhofstraße 75A
12459 Berlin
12459 Berlin
Fon: (030) 5019-3299
Fon: (033056) 408-264
Fax: (030) 5019-483299
Fax: (033056) 408-366
E-Mail: [email protected]
E-Mail: [email protected]
http://www.geit-berlin.de/
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