Bild: Frontansicht des Kompetenzzentrums ENERGYbase

MPC boxes - Model Predictive Control von aktiven Bauteilen und Messungen in zwei Test-Boxen

Eine robuste, standardisierbare, prädiktive Regelung mit Wettervorher­sagedaten für thermische Bauteilaktivierung wird entworfen, untersucht und ökonomisch bewertet sowie mit herkömmlichen Regelungen, ins­besondere für Kühlzwecke, verglichen. Simulationen und Messungen an zwei für diesen Zweck geplanten und aufgebauten Test-Boxen, dienen zur Analyse von Energieeffizienz und Komfort.

Kurzbeschreibung

Status

laufend

Kurzfassung

Ausgangssituation/Motivation

Aktive Bauteile in Gebäuden können als Kurzzeitspeicher für Kälte und Wärme dienen. Der steigende Kühlbedarf zur Raumkonditionierung führt zu erhöhten Betriebszeiten von Kältemaschinen tagsüber bei hohen Außentemperaturen. Diese Bedingungen sind in der Regel nachteilig bezüglich Effizienz der eingesetzten Kältemaschinen, führen zu Lastspitzen eines (elektr.) Versorgungsnetzes und verursachen hohe Kosten. Bestehende thermische Wärmenetze für Heizzwecke erreichen zunehmend ihre Leistungsgrenze, was eine weitere räumliche Aus­dehnung verhindert. Eine Reduktion der Kühl- und Heizlastspitzen in Gebäuden durch zeitlich ausgedehnte moderate Kälte- oder Wärme­einbringung erfordert eine wetterprognoseabhängige Regelung mit prädiktivem Charakter.

Bestehende Ansätze aus der Forschung weisen eine Komplexität auf, die ein wesentliches Hindernis für die breite Anwendung darstellt - offizielle Zahlen zur Energieeinsparung liegen auch noch nicht vor. Zahlen zur Energieeinsparung durch wetterprognosegesteuerte Gebäudeautomation werden in großer Bandbreite kolportiert - wobei die genutzten Wetter­prognosedaten teilweise sehr ungenau sind. Daraus lässt sich erkennen, dass eine einfache, standardisierbare Methode, für die prädiktive Gebäudekonditionierung mittels Bauteilaktivierung, fehlt; sowie eine experimentelle Einrichtung, zur Untersuchung unterschiedlicher Regelungen dafür.

Inhalte und Zielsetzungen

Ziel ist der Bau zweier sogenannter Test-Boxen im Freien und die erfolgreiche Regelung eines aktiven Bauteils in einer Test-Box unter folgenden Randbedingungen: effiziente Energienutzung, Komfort­maximierung und Robustheit. Dazu wird ein prädiktiver Regler geplant und erstellt, der eingangsseitig mit Wetterprognosedaten versorgt wird und ein möglichst einfaches Modell über die Regelstrecke besitzt.

Methodische Vorgehensweise

Für den Entwurf des einfachen Modells sowie zur Lokalisierung von optimalen Messstellen für die Initialisierung des einfachen Modells, bei Betrieb mit prädiktivem Regler wird ein zu erstellendes komplexes Modell (z.B. CFD-Simulation) herangezogen.

Die zweite Test-Box mit Standardregelung dient als Referenzfall. Zwecks Monitoring von Ist-Werten, werden die Test-Boxen und jeweils das aktive Bauteil mit vielen Sensoren ausgestattet. Für sehr genaue Vor-Ort-Wetterprognosen wird eine Wetterstation aufgestellt um unterschiedliche Verfahren für standortoptimierte Wettervorhersagen zu untersuchen.

Erwartete Ergebnisse

Ein wesentliches Ergebnis ist ein standardisierbarer prädiktiver Regler für energieeffizientes Heizen und Kühlen mittels Bauteilaktivierung ohne Komforteinbußen, insbesondere durch Unterkühlung. Ein Ziel ist die Reduktion der für Kühlung erforderlichen Sekundärenergie um 10% für die prädiktiv geregelte Test-Box. Angestrebt werden Erkenntnisse zur Parametrisierung des Reglers in Abhängigkeit von bauphysikalischen Parametern des aktiven Bauteils.

Das soll eine gewisse Transferierbarkeit der Erkenntnisse für ähnliche und komplexere Anwendungsfälle ermöglichen. Im Hinblick auf Komplexitätsreduktion steht die Identifikation not­wendiger Messstellen für die Modellassimilation im Vordergrund, damit die für die Regelung eingesetzten Modelle einfach bleiben. Außerdem werden Erkenntnisse zu exergetischen Vorteilen bei Einsatz eines prädiktiven Reglers sowie ein kostengünstiges Verfahren für standort­optimierte Wettervorhersagedaten angestrebt.

Projektbeteiligte

Projektleitung

Technische Universität Graz, Institut für Wärmetechnik
Dipl.-Ing. Dr.mont. Hermann Schranzhofer, Mag.rer.nat. M.Sc. Ing. Martin Pichler

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

Kontaktadresse

Technische Universität Graz, Institut für Wärmetechnik
Dipl.-Ing. Dr.mont. Hermann Schranzhofer
Inffeldgasse 25b
A-8010 Graz
Tel.: +43 (316) 873 7314
Fax: +43 (316) 873 7305
E-Mail: hermann.schranzhofer@tugraz.at
Web: www.iwt.tugraz.at

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