Exergiebasierte Regelungsstrategien für die Heiz- und Raumlufttechnik

 

Exergie in der Gebäudeautomation

Die Verbesserung von Gebäudeautomationssystemen eröffnet weitreichende Möglichkeiten für eine Verringerung des Endenergiebedarfs von Gebäuden. In diesem Forschungsprojekt wird daher untersucht, wie die thermodynamischen Methoden der Exergieanalyse auf die Regelung komplexer Gebäudeenergiesysteme angewendet werden können. Dabei steht die Steigerung der Energieeffizienz bestehender Systeme bei gleichzeitiger Sicherung der Luftqualität und des thermischen Komforts der Nutzer im Vordergrund.

Bewertung der Qualität von Energieströmen

Die einzigen thermodynamischen Verluste eines Gebäudes, die mithilfe einer Energieanalyse aufgedeckt werden, sind Wärmeverlustströme, die ungenutzt an die Umgebung abgeführt werden. Thermodynamische Verluste innerhalb eines Gebäudeenergiesystems treten jedoch vorwiegend durch irreversible Prozesse wie z. B. Wärmeübertragung, Drosselung und chemische Reaktionen auf. Zur korrekten Berechnung und Bewertung der Verluste ist es daher notwendig, nicht nur die Menge der auftretenden Energieströme, sondern auch deren Qualität zu berücksichtigen, die in der Thermodynamik mithilfe der Exergie zum Ausdruck gebracht wird.

  Basierende Reglungsstrategie Urheberrecht: EBC Abbildung 1 Exergiebilanz in Teilsystemen eines Gebäudeenergiesystems
 
 

Exergiebasierte Optimierung

Eine Regelungsaufgabe kann unter Einbeziehung exergetischer Größen als Optimierungsproblem definiert werden. Dabei fungiert die Exergievernichtung als die zu minimierende Zielfunktion. Die Stellgrößen des Regelkreises stellen die Optimierungsparameter dar, während z. B. maximal zulässige Bandbreiten von Temperaturen oder Luftqualitätskennwerten die möglichen Lösungen begrenzen.

Exergoökonomische Analysen und Optimierungen

Ein Ansatz zur Bewertung der Kosteneffizienz von Gebäudeenergiesystemen ergibt sich über die exergoökonomische Analyse. Bei dieser wird eine Exergieanalyse mit ökonomischen Prinzipien verbunden. Dadurch können zusätzliche Informationen über die Kosten von Exergievernichtungen und -verlusten gewonnen werden, welche aus einer konventionellen Exergieanalyse und einer ökonomischen Bewertung nicht erzielt werden könnten. Bei dieser Betrachtung können alle Reglersollwerte durch Minimierung der gesamten Kosten (anstelle der Exergievernichtungen) optimiert werden.

Implementierung exergiebasierter Regelungsstrategien

Als wichtigste Werkzeuge zur Erprobung der neuartigen Regelungsstrategie stehen das sogenannte Monitoring Control and Interface System (MCIS) des multifunktionalen E.ON Energy Research Center Hauptgebäudes in Aachen sowie eine Simulations- und Optimierungsumgebung zur Verfügung. Ein im Rahmen des Projekts entwickelter modellprädiktiver Algorithmus übernimmt die Aufgaben der automatisierten Exergieanalyse und Optimierung. Der Algorithmus sendet die ermittelten Sollwerte über das MCIS an die Aktoren im Gebäude und erfasst das tatsächliche Verhalten des Systems aus Monitoringdaten.

  Basierende Reglungsstrategie Urheberrecht: EBC Abbildung 2 Kommunikationsstruktur des entwickelten modellprädiktiven Algorithmus
 
 

Danksagung

Wir danken für die finanzielle Unterstützung durch das BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie), Fördernummer 03ET1218A. Außerdem bedanken wir uns bei unseren Kooperationspartnern vom Institut für Energietechnik der TU Berlin.