Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens zur Bewertung des Risikos von Keimwachstum in Filtern

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Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH
Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens zur Bewertung des
Risikos von Keimwachstum in Filtern
12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung
Christian Friebe, Thomas Oppelt, Sabine Döge, Andreas Hantsch

Inhaltsübersicht
Motivation und Ziel
Voruntersuchungen
Versuche und Ergebnisse
Auswertung
Zusammenfassung und Ausblick
12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung

12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung
Motivation und Ziel
Voruntersuchungen
Versuche und Ergebnisse
Auswertung
Zusammenfassung und Ausblick

Gründe für Filtration
Dichtere Bauweise für Gebäude (Anforderungen an Wärmeverluste)
Luftaufbereitung notwendig
Unterscheidung der Luftaufbereitungsanlagen in dezentrale und
zentrale Anlagen
Dezentrale Anlagen:
Ein Gerät (oder mehrere) versorgen einen Raum
kleine Räume, wenig Personen, kurze Wege, kaum Rohrleitung
Zentrale Anlage:
Eine Anlage versorgt mehrere Räume
Große Objekte, verzweigtes, langes Rohrnetz, große Volumenströme
Bedingung: Luftaufbereitung darf nicht Luftqualität nicht verschlechtern
12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung

Aktueller Stand Zentralanlagen
12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung
Zentralanlage
Filterüberwachung
Filter-Protokoll
Ventilator
Wärmeübertrager
Filter
ABL
AUL
ZUL
FOL
Ventilatorregelung

VDI 6022 - Anforderung
12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung
Lieber permanent überwachen als ab und zu nachschauen!

Einflüsse auf die Keimbildung auf Filtern
12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung
Risikostufe I
Risikostufe II
Risikostufe III
Risikostufe IV
Luftfeuchte 
Substratfeuchte 
Druckverlustbeiwert 
Temperatur 
Parameter mit Einfluss auf die Bildung von Keimen:
Wasser 
Nahrung
„Komfort“
(Wasser )

Zielstellung
Zustandsüberwachung von Außenluftfiltern bezüglich des Risikos von potentiellem
Schimmelwachstum
Erfassungseinrichtung für
Feuchtegehalt der Filterfläche
Druckdifferenz der Filterstufe,
Temperatur und
Feuchte der durchströmenden Luft
Bewertungsalgorithmus zur Ermittlung des Risikos des mikrobiellen Bewuchses aus
den Messgrößen
12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung

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Motivation und Ziel
Voruntersuchungen
Versuche und Ergebnisse
Auswertung
Zusammenfassung und Ausblick

Erfassung der Feuchte im Filtermaterial - Varianten
12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung
Graphit Edelstahl Aluminium Kupfer
aufgeklebt
eingeschoben
aufgenäht
Form
Material
Befestigung
Vierkant
Streifen
Draht
Detektion der Veränderung des
elektrischen Verhaltens des
Materials

Erfassung der Feuchte im Filtermaterial - Ergebnis
12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Streifen Fe
Streifen Cu
Draht Fe
StreifenFe1
und Draht3
Leitfähigkeit (1/Widerstand)
trocken 1 kHz
trocken 10 kHz
feucht 1 kHz
feucht 10 kHz
0
5
10
15
20
25
30
35
Streifen Fe
Streifen Cu
Draht Fe
StreifenFe 1
und Draht3
Kapazität in pF
trocken 1 kHz
trocken 10 kHz
feucht 1 kHz
feucht 10 kHz
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Streifen Fe
Streifen Cu
Draht Fe
StreifenFe 1
und Draht3
Impedanz (M Ohm)
trocken 1 kHz
trocken 10 kHz
feucht 1 kHz
feucht 10 kHz
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Streifen Fe
Streifen Cu
Draht Fe
StreifenFe1
und Draht3
Impedanz (Winkel)
trocken 1 kHz
trocken 10 kHz
feucht 1 kHz
feucht 10 kHz
Ergebnis:
•Kapazität als Bewertungsmaßstab
•Veränderung der Kapazität ist messbar
•Unterschied zu „trocken“ ist darstellbar
•zeitlicher Verlauf ist erkennbar

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Motivation und Ziel
Voruntersuchungen
Versuche und Ergebnisse
Auswertung
Zusammenfassung und Ausblick

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Überwachung an einer realen Klimaanlage
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-1
0
1
2
3
4
5
6
7
-10
10
30
50
70
90
02000 4000 6000 8000 10000
Geschwindigkeit
Druck, Feuchte, Temperatur
kellerfilter31: Woche vom 22.5. bis 28.5.2017
Druckdifferenz rel. Feuchte innen Temp innen rel. Feuchte außen Temp außen Temp Raum Geschwindigkeit
Messwerte für eine Woche dargestellt
(Abtastintervall: 60 s)
Aufzeichnung der Messwerte für Druck,
relative Feuchte und Temperatur
Filter vor
und nach
Nutzung

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Überwachung an einer realen Klimaanlage
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Datenreduktion: Mittelwerte pro Stunde
Rote Linien: Filterwechsel

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Einbau und Untersuchung eines Testfilters in einer
Versuchs-Klimaanlage
12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung
Schematische Darstellung der Filter-
Überwachungseinrichtung an der Klima-
anlage 2 des Raumströmungslabors
Zusätzlich
eingebauter
Taschenfilter
Mit Elektroden

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Einbau und Untersuchung eines Testfilters in einer
Versuchs-Klimaanlage
Variation Filterbestückung zur
Feuchtemessung:
„Position 1 -quer“:
„Position 2 längs“:
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Einbau und Untersuchung eines Testfilters in einer
Versuchs-Klimaanlage
12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung
Messergebnisse –
Vergleich Filterfeuchte und relative
Luftfeuchte vor dem Filter
- Verlauf wird sehr gut nachgebildet
- Bestückungsart beeinflusst den
mittleren Wert der Kapazität

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Voruntersuchungen
Versuche und Ergebnisse
Auswertung
Zusammenfassung und Ausblick

Auswertealgorithmus und Risikobewertung
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Auswertung:
- Bestimmung mittlere Werte pro Stunde
- kritisch: Temperatur > 27°C; rel. Feuchte > 80%
- Bestimmung Anzahl Stunden mit > 80 % r.F.

Auswertealgorithmus und Risikobewertung
Klassierung Messwerte für relative Feuchte und Temperatur:
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Die Summe der Klassierungswerte
ergibt den Risikowert
(Risikostufen 1 bis 5).
Relative
Luftfeuchte Klasse Temperatur Klasse
91 -100 2,5 29 -31 2
81 -90 226 -28 2,5
71 -80 1,5 23 –25 2
61 -70 120 –22 1,5
bis 60 0,5 11 –19 1
bis 10 0,5

Auswertung: Identifikation abnormaler Werte
12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung
Ziel: Identifikation von abnormalen Datenpunkten (Parametersets) mittels
maschinellem Lernen
Bedingung: Eine große Anzahl von Messwerten liegen vor, hohe
Datenqualität Daten benötigt zum Trainieren, zur Kreuzvalidierung und
zum Test
Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmtes Parameterset abnormal ist:
  


  

mit den Parametern i…n, dem Parameterwert sowie arithmetischem Mittel und
Varianz des Parameters i
Bestimmung von Mittelwert und Varianz für jeden Parameter mithilfe der
Trainingsdaten

Auswertealgorithmus und Risikobewertung
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Risikobewertung
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Wichtig: Berücksichtigung des zeitlichen Einflusses Risikoklasse gesamt
(Summe) kann nicht wieder abnehmen manuelles Rücksetzen
-0,50
0,50
1,50
2,50
3,50
4,50
5,50
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Risikobewertung
Zeit in Stunden
Risikobewertung RLT-Anlage für den 23.07.2016
Risiko phi Risiko t Summe Risiko

Abgrenzung normaler/abnormaler Parameterwerte
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Kriterium für abnormale Parameterwerte:
  
Die kritische
Wahrscheinlichkeit 
definiert, ab wann ein
Parameterset als abnormal
bewertet wird
 wird im Rahmen der
Kreuzvalidierung ermittelt

12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung
Motivation und Ziel
Voruntersuchungen
Versuche und Ergebnisse
Auswertung
Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung und Ausblick
Messsystem zur Bestimmung der Filterfeuchte:
Anordnung der Elektroden spielt untergeordnete Rolle, beide untersuchte
Varianten funktionieren
Erfassungseinrichtung für die Messgrößen:
kritische Feuchte wird häufiger erreicht als kritische Temperatur;
Differenzdruck folgt außer den Nutzungsbedingungen auch den
Jahreszeiten
Bewertungsalgorithmus für Risiko:
Grundlegende Funktion gegeben
muss noch erweitert werden (Abhängigkeit der Keimbildung von den
Bedingungen, Training des Algorithmus auf diese Abhängigkeit)
12. Dresdner Kolloquium zur Luftreinhaltung

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Fax: +49 351 / 4081-655
E-Mail: klima@ilkdresden.de
www: www.ilkdresden.de
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Vielen Dank an alle!