Masterarbeit Laurin Oberkirsch

 

Entwicklung modularer Simulationsmodelle für die Unterstützung der Echtzeitbetriebsoptimierung von Energiesystemen

Foto Urheberrecht: EBC Übersicht über das hybride kennfeldbasierte Modelkonzept bestehend aus drei Ebenen. Die Bedingungen für Events sind dabei als Transitionen dargestellt. Abkürzungen: K - Verstärkungsfaktor, T - Zeitkonstante, con - Bedingung für Event, dim - Dimensionen d

Voraussetzung für die Echtzeitbetriebsoptimierung sind schnelle und präzise Modelle. Die Aixlib, eine vom Lehrstuhl für Gebäude- und Klimatechnik der RWTH entwickelte Modelica Bibiliothek, umfasst Modelle für Anlagen der Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Kältetechnik (HLKK). Komponenten von HLKK-Systemen weisen in der Regel ein hybrides Systemverhalten auf. Dabei sind kontinuierliche Zustände mit diskreten Zustandsänderungen gekoppelt. Die Aixlib-Modelle sind in der Lage das hybride Verhalten der Komponenten im Detail darzustellen. Diese Präzision geht allerdings mit einem hohen Rechenaufwand einher. Daher wird in dieser Arbeit ein datenbasiertes, hybrides Modellkonzept bestehend aus drei Ebenen vorgestellt. Auf der obersten Ebene wird je nach Eingangssignal ein passender hybrider Automat ausgewählt. Der Zustand des Automaten wird dann wiederum auf der mittleren Ebene bestimmt. Auf der untersten Ebene wird letztendlich das Ausgabesignal ermittelt. Dafür werden Übertragungsfunktionen verwendet, deren Koeffizienten zuvor in Kennfeldern gespeichert wurden. In dieser Arbeit werden verschiedene Aixlib-Modelle in zwei Schritten in das neue Modellkonzept übersetzt, um den Rechenaufwand dieser zu verringern. Die beiden Schritte lauten: Systemidentifikation und Modellerstellung. Während der Systemidentifikation werden Sprungantworten der Aixlib-Modelle analysiert und zunächst durch auftretende Ereignisse klassifiziert. Anschließend wird für jede Klasse die Übertragungsfunktion, welche den Verlauf am besten beschreibt ausgewählt. Danach werden die Dreiebenenmodelle sowohl in Modelica, als auch in Python nachgebildet. Dadurch kann eine Laufzeitreduktion um bis zu Faktor 220 im Vergleich zu den ursprünglichen Modellen erreicht werden. Abschließend werden die Modelle in einer modellprädiktiven Regelung eingesetzt. Die Regelung liefert das Steuersignal für Kessel und Wärmepumpe eines mit einer Photovoltaikanlage ausgestatteten Einfamilienhauses. Ziel ist es dabei die Energiekosten und die Anzahl an Schaltvorgängen zu minimieren. Dabei wird gezeigt, dass Energiekosten in Höhe von 14,6 % im Vergleich zur konventionellen Hystereseregelung eingespart werden können.