Automatisierung moderner Energiesysteme

Gebäude sind mehr als nur Architektur

Ungefähr 40 Prozent des weltweiten Gesamtenergiebedarfs entfallen auf den Gebäudesektor. Um gleichzeitig den Gebrauchskomfort zu maximieren und den Energieverbrauch eines Gebäudes zu minimieren, muss sowohl in passive Energiesparmaßnahmen (Wärmedämmung, externer Sonnenschutz, Ökoenergie, etc.) als auch in intelligente Automatisierungskonzepte investiert werden. Fortschrittliche alternative Gebäudesysteme wie Wärmepumpen, freie Kühlung, Photovoltaik, etc., stellen darüber hinaus eine weitere Herausforderung im Bereich der Automatisierung dar.

Heutzutage sind moderne Gebäude nicht nur Energieverbraucher – sie produzieren auch Energie. Daher sind Lösungen für energieeffiziente Gebäude und Netze ein wichtiger Forschungsschwerpunkt.

energieeffizientes modernes Gebäude

© Luigi Caputo

Gebäudemodelle: Der Schlüssel zum Regelverhalten

Modellprädiktive Regelung (MPC) benötigt Gebäudemodelle zur Online-Optimierung von Komfort und Energieverbrauch. Diese Modelle müssen mit minimalem Aufwand die nichtlineare Gebäudedynamik nachbilden. Blackbox- (ausschließlich auf gemessenen Daten basierend) und Greybox-Modelle (unter Einbeziehung von Expertenwissen) erfüllen diese Anforderungen. Dabei sind lokal-lineare Modelle (LLM) eine effiziente Methode zur Nachbildung des nichtlinearen Gesamtgebäudeverhaltens. Diese LLM ermöglichen die Anwendung einer besonderen Art von Regelung: der so genannte Fuzzy-Regelung.  Gebäudeversorgungssysteme bestehen außerdem meistens aus Hybridsystemen (sowohl geschaltete als auch kontinuierliche Dynamik). Sowohl im Gebäude als auch in der Versorgung treten vielfältige Beschränkungen auf, was im Regelungsentwurf berücksichtigt werden muss.

Grenzen überwinden: Intelligente Gebäudeleittechnik durch MPC

Moderne Bürogebäude mit großer thermischer Masse besitzen ein hohes Lastverschiebungspotenzial – sie können daher mehrere Stunden lang beim Heizen oder Kühlen aussetzen, ohne an thermischer Behaglichkeit zu verlieren. Darüber hinaus sind Prognosen stochastischer Störungen wie Wettervorhersagen (Sonneneinstrahlung und Umgebungstemperatur) sowie Auslastung explizite Bestandteile der MPC-Optimierung. Die Arbeitsgruppe konzentriert sich auf zwei Arten modellprädiktiver Regelung -  einerseits auf Fuzzy-MPC zur Komfortmaximierung der Gebäudeinnentemperatur, andererseits auch auf gemischt-ganzzahlige MPC zur Versorgungsoptimierung. Zur individuellen Regelung unterschiedlicher Bereiche von Gebäuden wurden ein neues hierarchisches Konzept und ein kooperatives MPC-Schema entwickelt.

Allerdings benötigen nicht nur einzelne Gebäude intelligente Automatisierungssysteme - die Interaktion in intelligenten Stromnetzen („Smart Grids“) erfordert ebenso eine hierarchische MPC-Struktur zur globalen Optimierung. Ein Patent zur hierarchischen prädiktiven Laststeuerung in Smart Grids wurde bereits angemeldet.

Veröffentlichungen

Killian, M., B. Mayer, and M. Kozek. "Effective fuzzy black-box modeling for building heating dynamics, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." Energy and Buildings 96 (2015): 175-186.

Mayer, Barbara, Michaela Killian, and Martin Kozek. "Management of hybrid energy supply systems in buildings using mixed-integer model predictive control, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." Energy conversion and management 98 (2015): 470-483.

Brandstetter, Markus, Alexander Schirrer, Maja Miletić, Sawsan Henein, Martin Kozek, and Friederich Kupzog. "Hierarchical predictive load control in smart grids, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." IEEE Transactions on Smart Grid 8, no. 1 (2015): 190-199.

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Kontakt

Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Martin Kozek

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