Auch dieses Jahr freuen wir uns verkünden zu dürfen, dass wir einen weiteren Studenten erfolgreich durch seine Diplomarbeit und die Verteidigung seiner Arbeit begleiten durften. In dieser ging es um die Entwicklung einer modellprädiktiven Anlagenregelung für die Wärmeversorgung in Wohngebäuden:

Mit der Wärmewende kommt ein steigender Anteil von Wärmepumpen und bivalenten Versorgungskonzepten einher. Gleichzeitig sind, nicht zuletzt aufgrund der aktuellen geopolitischen Ereignisse, große Preisveränderungen für Strom und Gas zu beobachten. Auch zeitveränderliche Preiskonzepte mit Hoch- und Niedertarif gewinnen an Relevanz, um der Volatilität des Angebots erneuerbarer Energien auf Nachfrageseite gerecht zu werden. Unter diesen zeitveränderlichen Randbedingungen wird die kostenoptimale Betriebsführung durch regelbasierte Steuerungssysteme erschwert.

Im Rahmen der Diplomarbeit wurde für die Heizzentrale des Demonstrators BRExx des Forschungsprojekts ARCHE ein modellprädiktives Regelungskonzept simulationsgestützt erprobt. Die Anlage verfügt über eine Sole-Wasser-Wärmepumpe, ein BHKW, ein Brennwertkessel sowie zwei Schichtspeicher auf Hoch- und Niedertemperaturniveau. Mit Hilfe eines gemischt ganzzahligen linearen Anlagenmodells, einer linearen Kostenfunktion und hinterlegten Preiskurven kann der kostenoptimale Anlagenbetrieb ermittelt werden. Entgegen der expliziten Formulierung der regelbasierten Steuerung können hierbei alle Verfügbarkeiten und Preisentwicklungen implizit als Nebenbedingungen integriert und jederzeit aktualisiert werden.

In einer simulationsgestützten Fallstudie über zwei Winterwochen mit Niedertarifstrom von 22-6 Uhr konnte gezeigt werden, dass durch die prädiktive Erzeugereinsatzoptimierung mit perfekter Lastprognose die Schalthäufigkeit der Erzeuger um mindestens 53 % gesenkt, Lastspitzen effektiv abgefangen und die Niedertarifphasen zur Vorladung der Speicher genutzt werden können. Bei Annahme eines Gaspreises von 6 ct/kWh dominiert der Parallelbetrieb von BHKW und Wärmepumpe, wie es auch die bisher verfolgte Steuerungslogik vorsieht. In einem zweiten Szenario mit 12 ct/kWh wird die Wärmepumpe in den Niedertarifphasen mit Netzstrom betrieben und dadurch eine theoretische Kosteneinsparung von bis zu 11,52 % erzielt.

Bearbeiter: Leonhard Wenzel

Die EA System Dresden GmbH bedankt sich für die Betreuung der Diplomarbeit durch Herrn Prof. Clemens Felsmann und Herrn Dr. Peter Stange (TU Dresden, Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung).