Mei 2024
Automatische foutdiagnose onder dynamische klimaatcondities
Van promotieonderzoek tot bedrijf met potentie
In 2017 promoveerde dr.ir. Rick Kramer aan de TU Eindhoven op zijn onderzoek naar het energiezuinig optimaliseren van het binnenklimaat in musea. Zijn spin-off bedrijf Dyseco ontwikkelde de concepten uit het onderzoek door tot algoritmes. Deze zijn als plug-in in te zetten voor nieuwe en bestaande klimaatinstallaties met gebouwbeheersystemen. Met ondersteuning van NWO is het afgelopen jaar verder gewerkt aan een schaalbaar platform voor gegevensopslag en analyse van multidimensionale gegevens en online-inzet van foutdetectie- en diagnose-algoritmen. Het doel: een storingsvrij HVAC-systeem dat tot 25 procent op het energiegebruik kan besparen.
Dr. ir. Rick Kramer heeft zich op twee uiteenlopende manieren in de materie gestort. Enerzijds het wetenschappelijke onderzoek in het kader van zijn promotie dat leidde tot relevante conclusies en concrete resultaten. Deze werden toegelicht in een dissertatie waarin hij aantoonde dat het juiste regelalgoritme de klimaatinstallatie ondersteunt bij het energiezuinig klimatiseren van musea. Anderzijds wil Kramer graag zelf hands-on klimaatbeheersing in de praktijk verduurzamen, waarbij hij zich niet laat afremmen door hobbels en conservatisme.
Het onderzoek
Het promotieonderzoek van Kramer speelde zich af van 2012 tot 2017, waarbij de Hermitage Amsterdam – inmiddels H’ART Museum – een belangrijke rol speelde. Dit gebouw stamt uit 1683 en heeft tot 2007 gefungeerd als tehuis voor ouderen. In 2009 opende het museum Hermitage Amsterdam. Kramer: ‘Een oud en monumentaal pand als dit geeft de kenmerkende klimaatproblemen met betrekking tot vocht en temperatuur. Een groot deel van de bekende problematiek was al bouwkundig opgelost, maar het vermoeden bestond dat er veel meer mogelijk was. Alle reden om hiermee aan de slag te gaan, omdat het namelijk juist bij musea belangrijk is om het binnenklimaat goed te beheersen. Enerzijds voor het behoud van de collectie, anderzijds voor het comfort van de bezoekers.’
Binnenklimaatspecificaties met betrekking tot collectiebehoud van onder meer musea zijn beschreven in richtlijnen. ASHRAE presenteert bijvoorbeeld binnenklimaatklassen voor musea, galerijen, archieven en bibliotheken. Deze klassen omvatten specificaties voor kortetermijnschommelingen, seizoensaanpassingen en toegestane niveaus van zowel de binnentemperatuur (T) als de relatieve luchtvochtigheid (RH). De klimaatklassen variëren van klasse AA (precisieregeling) tot klasse D (beperkte regeling). Kramer: ‘In de 20e eeuw evolueerde het idee van een optimale museumomgeving naar ‘hoe stabieler, hoe beter’. Dit leidde ertoe dat veel musea kozen voor de strengste binnenklimaatklasse. Ook hiermee werd het ‘ideale klimaat’ echter nooit bereikt én bleek het energiegebruik door deze krampachtige manier van klimaatbeheersing sterk te stijgen. Zeker in de huidige tijd van klimaatcrisis en energiebesparing een ‘no-go’.’
Het onderzoek van Kramer richtte zich daarom op het verlagen van de energievraag door de luchtbehandeling niet continue te laten regelen op vaste streefwaarden voor een zo stabiel mogelijk binnenklimaat. Daarentegen koos hij ervoor de luchtbehandeling heel gericht in te zetten, zodanig dat het binnenklimaat gecontroleerd varieert en binnen de specificaties blijft voor temperatuur en relatieve vochtigheid, om zo een optimale balans te vinden tussen collectiebehoud en het (thermisch) comfort van de bezoekers. Uiteindelijk heeft dit geleid tot de ontwikkeling van een algoritme dat de collectie- en comforteisen integreert en uurlijkse setpoints berekent voor temperatuur en RV. Dit is gedurende een jaar getest in de Hermitage Amsterdam. Afhankelijk van de binnenklimaateisen zijn hiermee energiebesparingen van respectievelijk 49 procent (klasse AA) en 63 procent (klasse A) behaald. Veruit de meeste energiebesparing is gerelateerd aan het ontvochtigen: naast de besparing op diepkoelen, is een grote besparing gemeten op het naverwarmen.
Juist in musea is het belangrijk om het binnenklimaat goed te beheersen voor – uiteraard - het behoud van de collectie, maar ook voor het comfort van de bezoekers.
Commercialisering en nieuw onderzoek
Wanneer bij promotieonderzoek uitsluitend onderzoeksinstituten zijn betrokken en geen commerciële bedrijven, is de kans dat er iets met de eindresultaten gebeurt relatief klein. Dit ontdekte Kramer toen hij na zijn promotie in een spreekwoordelijk zwart gat viel. ‘Het was een vreemde gewaarwording; cum laude slagen, een zeer tevreden eindgebruiker, enthousiaste aanwezigen en vervolgens: geen uptake. Het was de voor velen bekende confrontatie dat de kloof tussen wetenschap en praktijk groot is.’
Kramer nam daarom het heft in eigen hand en richtte samen met zijn compagnon ir. Edgar Neuhaus een eigen bedrijf op: Dyseco. In samenwerking met Kuijpers Gebouwautomatisering is hij hier gestart met de ontwikkeling van een plug-in.
Kramer: ‘Het algoritme is gebaseerd op het voorgaande onderzoek en berekent vanuit de controller optimale aanpassingen aan de setpoints voor temperatuur en relatieve vochtigheid. Daarbij rekening houdend met de randvoorwaarden die door de gebruiker zijn ingesteld (kwalitatieve klassen). Bijvoorbeeld met betrekking tot de limieten en met toegestane snelheidsveranderingen van temperatuur en relatieve vochtigheid. De controller communiceert als besturingsmodule met elk type gebouwbeheersysteem en hiermee de betreffende klimaatinstallatie.’
Fouten in klimaatinstallaties
De ontwikkeling van deze plug-in ten behoeve van dynamische binnenklimaatregeling is onder meer gepresenteerd op de Clima 2022 conferentie in Rotterdam. Hier werd hij goed ontvangen, wat Kramer stimuleerde om verder te gaan met het ontwikkelen van oplossingen die aansluiten bij de praktijk. Kramer: ‘Een belangrijk aandachtspunt voor de plug-in om een maximaal resultaat te leveren in termen van energiebesparing, is de klimaatinstallatie zelf waaraan hij wordt gekoppeld. De praktijk leert namelijk dat installaties over het algemeen relatief veel fouten en ongewenst regelgedrag bevatten die tot suboptimale werking leiden. De meest voorkomende problemen zijn regelkleppen die blijven hangen – zowel in het koel- als verwarmingscircuit – maar ook in foutieve, defecte of verkeerd geplaatste sensoren en überhaupt verkeerde regelinstellingen.’
Hij vervolgt: ‘Door al deze ‘afwijkingen’ is een slimme regeling niet afdoende en dus is het belangrijk om éérst aandacht te besteden aan de kwaliteit van de installatie. Dat dit niet overdreven is, blijkt onder meer uit onderzoek dat aantoont dat ongeveer 80 procent van de gebouwen te maken heeft met fouten waardoor het onnodig energiegebruik kan oplopen tot 25 procent.’
Binnen het Brains4Buildings onderzoeksproject (zie kader) wordt daarom samen met een groot consortium gewerkt aan slimme algoritmes voor Automatische Foutdetectie en -Diagnose.
De bèta-versie is direct in gebruik genomen door het Stedelijk Museum Amsterdam.
Softwareplatform en haalbaarheid
Een nieuwe stap in de ontwikkeling werd gezet met subsidie vanuit NWO om – in een samenwerking tussen Dyseco en TU Eindhoven – een haalbaarheidsstudie uit te voeren naar een softwareplatform dat data kan verzamelen. Op basis hiervan is inzicht te krijgen in de fouten en storingen van een bestaand klimaatsysteem. Het beoogde platform moet hoogwaardig en wereldwijd schaalbaar zijn en geschikt voor: gegevensopslag (1), geautomatiseerde gegevensanalyse (2) en de implementatie van machine learning algoritmen voor automatische foutdetectie en -diagnose onder dynamische klimaatcondities (3). Naast het in kaart brengen van storingen bieden deze gegevens – gecombineerd met de mogelijkheid tot implementatie van machine learning algoritmen – ook inzicht in het effect van bepaalde maatregelen en de basis voor het vaststellen van meer potentiële optimalisaties.
Kramer: ‘Een nieuwe stap voor mij in dit NWO-project is dat er niet alleen aandacht is besteed aan de eerste stappen van de ontwikkeling van de technische oplossing – in dit geval het software platform zelf – maar ook expliciet is gekeken naar de commerciële kansen en risico’s in combinatie met de eisen en wensen van alle stakeholders. Ondanks dat het een relatief kort project was, zes maanden, zijn we er toch in geslaagd om enerzijds een bèta-versie van het platform te ontwikkelen en daarnaast een groot aantal interviews af te nemen met onder meer toeleveranciers, installateurs en eindgebruikers om tot een succesvolle valorisatie te komen.’
Energiebesparingen van 49 procent (klasse AA) en 63 procent (klasse A) behaald
SaaS platform
Het bijbehorende NWO-onderzoek is getiteld: ‘Automatische foutdiagnose onder dynamische klimaatcondities voor effectieve energieflexibiliteit in de gebouwde omgeving’. De bèta-versie van het softwareplatform (SaaS: Software as a Service) wordt gevoed door gegevens afkomstig van drie bronnen:
1. geüploade bestanden door de gebruiker, onder andere xlsx,
2. meetsystemen, onder andere Eltek-gegevensbestanden,
3. het betreffende gebouwbeheersysteem zelf; met behulp van Modbus direct in de database via API.
Verder omvat het huidige platform een database op Nederlands grondgebied, een content managementsysteem voor configuratie en beheer, en een dashboard voor de eindklant.
De bèta-versie is direct in gebruik genomen door het Stedelijk Museum Amsterdam. Deze eerste partij om de werking te valideren is uitgekozen op basis van onder andere naamsbekendheid. Wanneer de oplossing werkt – en daarvan was iedereen al in het begin overtuigd – kan deze partij optimaal als ambassadeur en referentie fungeren richting andere potentiële afnemers. Ook bestaande klanten van Dyseco krijgen toegang tot het platform om verdere feedback te verzamelen tijdens het gebruik.
Kramer: ‘Vooral de eindklanten binnen het erfgoedveld zijn enthousiast over het platform, waar zij terecht kunnen voor alle data met betrekking tot klimaatbeheersing. Data die bovendien veilig wordt opgeslagen en via KPI’s mogelijkheden biedt tot het produceren van meer informatie.’
Brains4Buildings onderzoeksproject
Dyseco participeert samen met TU Delft en TU Eindhoven in het RVO MOOI-onderzoek ‘Brains4Buildings’ (B4B). Dit project is ontwikkeld in het kader van TKI Bouw &Techniek (voorheen Bouw- en Technologisch Innovatiecentrum; BTIC), een samenwerkingsverband van verschillende partijen uit de bouwsector. Het doel van TKI Bouw & Techniek is ervoor te zorgen dat open, meerjarige kennis- en open innovatieprogramma’s worden uitgevoerd, waarbij de inhoud van de verschillende initiatieven op elkaar aansluiten en de resultaten zo breed mogelijk worden gedeeld.
Het B4B-project brengt hiertoe 39 partners samen bestaande uit kennisinstellingen, installatiebedrijven, energieadviesbureaus, platform-/interfaceontwikkelaars, gebouweigenaren en -beheerders, technologieleveranciers, brancheverenigingen en andere vakexperts. Het project wordt gecoördineerd door de TU Delft.
Aanpak
De B4B-activiteiten worden uitgevoerd in een open innovatiesetting, wat betekent dat methoden en algoritmen publiekelijk beschikbaar zullen worden. Dit zal bijdragen aan het verlagen van de ontwikkelingskosten van bedrijven en daarmee het verbeteren van de business case. Dit wordt binnen het project getest door de bedrijven te helpen hun eigen producten te ontwikkelen op basis van de bevindingen in de open living labs.
Om deze voorwaarden voor een goede open samenwerking te creëren is het B4B-project opgezet rond living labs (testlocaties in kantoor- en onderwijsgebouwen die gebruikt worden als eerste validatiestap om in een beschermde omgeving producten en diensten te prototypen, testen en evalueren). Deze open-sourceresultaten worden vervolgens door verschillende consortiumpartners gevalideerd voor opschalings- en integratiemogelijkheden in use-cases met als uiteindelijke doel een brede marktintroductie. Dyseco is met de ontwikkeling van het SaaS platform en plug-in betrokken bij werkpakket 1 (WP1).
Een voorbeeldproject van het dashboard in het nieuwe platform. Dit platform is ontwikkeld voor verschillende stakeholders, zoals gebouwbeheer, installateur en collectiebeheer.
Commerciële haalbaarheid
Toen de ondernemende wetenschapper (of wetenschappelijke ondernemer) onderzoek deed naar de commerciële haalbaarheid van de technische ontwikkelingen, ondervond hij wel de nodige weerstand. Kramer: ‘Commercie lijkt een vies woord te zijn in de academische wereld, maar door de jaren heen ben ik mij steeds bewuster geworden van het belang van strategische samenwerkingen met het bedrijfsleven. In de praktijk betekent dit: zelf de handschoen oppakken via spin-offs om tot een succesvolle valorisatie te komen. Maar ook dán kloppen de clichés over drempels en zelfs muren waar je over- en doorheen moet.’
Want hoewel het erfgoedveld enthousiast is, heerst er ook een zekere conservatieve houding. Mensen hebben moeite met veranderen, zoeken naar referenties, meer zekerheden, meer bevestiging en nog meer bevestiging. Het doel van de ontwikkelingen – een goed binnenklimaat tegen een lager energiegebruik – is echter zo belangrijk, dat Kramer het meer dan de moeite waard vindt om ook daar het initiatief te nemen. Dat betekent dat de conclusies die zijn getrokken uit de interviews met stakeholders worden gebruikt om de commerciële haalbaarheid te vergroten. Zo is onder meer gebleken dat het verstandig is om als bedrijf in te zetten op diversificatie van markten, te bouwen aan een stevige bedrijfsbasis en stappen te nemen om te expanderen naar het buitenland. Bij het laatste punt krijgt het bedrijf goede ondersteuning van onder andere de RVO.
Het commercieel opschalen van de oplossing is mogelijk door onder andere strategische partners en investeerders aan te trekken. Verder wordt Dyseco doorontwikkeld door intern medewerkers aan te stellen en alternatieve verkoopkanalen te verkennen, om zo onder meer een distributienetwerk op te zetten. Kramer: ‘Hoewel de eerste focus blijft liggen op musea en ander erfgoed, worden parallel ook andere sectoren verkend. Hiervoor zijn inmiddels de eerste gesprekken gevoerd met partijen actief in cleanrooms, gewassenteelt en veeteelt.’
Toekomst
Op dit moment is vast te stellen dat het huidige platform positief is ontvangen door het erfgoedveld. Ook is aangetoond dat er bereidheid bestaat om te betalen (door launching customer Stedelijk Museum Amsterdam). Om de schaalbaarheid en beheersbaarheid te borgen, is gekozen om de bèta-versie van het platform door te ontwikkelen in samenwerking met een professionele softwareontwikkelaar.
Hiervoor heeft de TU Eindhoven samen met Dyseco, Kropman, Building G100 en a.s.r. verzekeringen een onderzoeksvoorstel toegekend gekregen binnen de RVO TSE-subsidieregeling. Dit project zal bijdragen aan het doorontwikkelen van het software platform waarbij twee test cases zijn opgenomen in de kantooromgeving in het kader van de diversificatie van markten. Kramer besluit: ‘Al met al loopt de weg naar opschaling en verdere commercialisering dus gestaag door, met alle hobbels en uitdagingen die daarbij horen. Maar daar leer je van. Bovendien leidt het beter in lijn brengen van wetenschap en valorisatie tot een grotere maatschappelijke impact. Een typische win-win situatie.’ <<
Meer informatie
- www.brains4buildings.org
- www.dyseco.nl
Tekst: ing. Marjolein de Wit - Blok
Fotografie: Sam Eye Am, H’ART Museum, iStock, Gert-Jan van Rooij, Erik Smits, Peter Tijhuis