Bachelor Arbeit Pascal Block

 

Entwicklung und Implementierung einer dynamischen Speicherregelung für thermische Speicher in Wohngebäuden

Schematische Darstellung des Kontrollansatz in Dymola/Modelica Urheberrecht: EBC Schematische Darstellung des Kontrollansatz in Dymola/Modelica

Durch den steigenden Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung wird es immer wichtiger Erzeugung und Bedarf aufeinander abzustimmen. Wohn- und Bürogebäude welche in Deutschland rund 30 % des Endenergieverbrauches ausmachen, könnten hierbei Flexibilität und Speicherkapazität bieten um die volatile Stromeinspeisung auszugleichen. Die thermische Energiespeicherung in Wohngebäuden stellt hierbei eine Möglichkeit dar um zukünftig überschüssige elektrische Energie aus regenerativer Stromerzeugung in Form von Wärme zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen.

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde eine dynamische Speicherregelung für thermische Speicher in Wohngebäuden entwickelt. Eine Wärmepumpe wandelt abhängig von einem Verfügbarkeitssignal erneuerbarer Energieerzeugung überschüssige elektrische Energie in Wärme um und speichert diese in der thermischen Gebäudemasse und einen Pufferspeichertank. Um die Speicherkapazität der thermischen Gebäudemasse effektiv nutzen zu können und um möglichst viel thermische Energie einzuspeichern, wird die Raumtemperatur auf Grenzwerte erhöht ohne hierbei den thermischen Komfort der Bewohner zu gefährden. In einem ersten Schritt wurden Komfort- und Randbedingungen für die dynamische Speicherregelung definiert. Aufbauend auf diesen Komfort- und Randbedingungen wurde dann ein entscheidungsbasierter Regelalgorithmus implementiert.

Die Leistungsfähigkeit der dynamischen Speicherregelung wurde mit verschiedenen dynamischen Gebäudesimulationen getestet und mit einem konventionellen Tag-Nacht-Regler verglichen. Trotz eines gestiegenen elektrischen Energieverbrauchs durch die erhöhten Raumtemperaturen und dem damit verbunden höheren Wärmeverlust, konnten wir eine nennenswerte Menge an Energie in der thermischen Gebäudemasse speichern und zurückgewinnen. Darüber hinaus konnten wir den Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch im Vergleich zum konventionellen Regler signifikant erhöhen. Für ein gut gedämmtes Gebäude konnten wir insgesamt 86 Prozent des elektrischen Energieverbrauchs mit überschüssigem Strom aus erneuerbarer Energieerzeugung decken. In diesem Fall betrug der Anteil regenerativer Energien am Stromverbrauch rund 46 Prozent mehr im Vergleich zum konventionellen Regler mit rund 40 Prozent. Allerdings ist die thermische Energiespeicherung in der thermischen Gebäudemasse und im Pufferspeicher nur dann wirtschaftlich und sinnvoll, wenn der Energiepreis pro kWh für den regenerativen Strom entsprechend gering ist und der Anteil erneuerbarer Energien am Stromverbrauch ausreichend hoch ist.

Andernfalls steigen die Energiekosten aufgrund des erhöhten Gesamtenergieverbrauchs. Folglich spielt die zukünftige Implementierung von Echtzeit-Energiepreisen in Kombination mit intelligenten Stromzählern eine wichtige Rolle um mögliche Kosteneinsparungspotentiale zu realisieren.