REGELSTRATEGIEN FÜR DIE OPTIMIERUNG DES EIGENVERBRAUCHS VON GEBÄUDEN KONZEPT UND REGELSTRUKTUREN

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1 Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE REGELSTRATEGIEN FÜR DIE OPTIMIERUNG DES EIGENVERBRAUCHS VON GEBÄUDEN KONZEPT UND REGELSTRUKTUREN Jahresbericht 2013 Autor: Prof. Dr. David Zogg, Institut für Automation (IA) Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW Klosterzelgstrasse 2, 5210 Windisch Begleitgruppe / Co-Autoren: Dr. Michele Zehnder, Teamleiter Entwicklung Wärme, CTA AG, Münsingen Bruno Illi, Pre-Development & Research, SIEMENS Building Technologies, Zug Prof. Dr. Nico Schulz, Institut für Aerosol- und Sensortechnik (IAST), FHNW, Windisch Prof. Dr. Thomas Afjei, Institut Energie am Bau (IEBau), FHNW, Muttenz Ralf Dott, Institut Energie am Bau (IEBau), FHNW, Muttenz Michael Sattler, Ökozentrum, Langenbruck BFE Projekt-/Vertrag-Nummer: , OPTEG Projektleiter: Prof. Dr. David Zogg Dauer des Projekts: Datum: ZUSAMMENFASSUNG Im ersten Teil des Projektes wurden die zu untersuchenden Gebäudetypen, -komponenten und Schaltungen definiert. Es wurden erste Regelstrategien zur Optimierung des Eigenverbrauchs in Einfamilienhäusern mit Photovoltaikanlage und Wärmepumpe entworfen. Dabei liegt der Fokus auf einfachen Regelkonzepten, welche möglichst wenig gebäudespezifische Parametrierung brauchen. Integraler Bestandteil ist die thermische Speicherung in der Gebäudehülle sowie dem Puffer- und Brauchwasserspeicher. Eine optimale Bewirtschaftung der Speicher erfordert die Erfassung der entsprechenden Temperaturen als Zustandsgrössen. Beim gezielten Einbezug der Gebäudehülle als thermischer Speicher wird eine Überwachung der Raumtemperatur empfohlen. Der Benutzer sollte seinen Komfortwunsch z.b. in Form eines Temperaturbandes vorgeben können. Vorteilhaft sind Wärmepumpen, welche entsprechende Schnittstellen zum forcierten Starten haben. Dies ist beispielsweise mit dem SG-Ready-Standard möglich. Mit der neuen Idee des virtuellen Energiepreises wird eine Optimierung bezüglich Eigenverbrauch, Energieeffizienz und/oder Energiekosten möglich. Die Eigenverbrauchsoptimierung sollte nicht auf Kosten der Effizienz gehen. Im folgenden Projektverlauf werden die vorgeschlagenen Regelkonzepte weiter ausgebaut und durch systematische Jahressimulationen verglichen. Zusammen mit den Inputs der Industriepartner sollen Empfehlungen für die Praxis entstehen.

2 Projektziele Im Rahmen der Energiestrategie 2050 [1] wird gemäss revidierter Energieverordnung [2] die Eigenverbrauchsregelung für Klein-Photovoltaikanlagen eingeführt. Damit soll ein finanzieller Anreiz geschaffen werden, den produzierten Strom zeitgleich zu verbrauchen und damit das Netz zu entlasten. In diesem Projekt werden Regelstrategien zur Optimierung des Eigenverbrauchs unter Berücksichtigung der lokalen elektrischen wie auch thermischen Produktion, Speicherkapazität und des Verbrauchs untersucht. Die lokale thermische Speicherung in der Gebäudehülle über Wärmepumpen ist zentraler Bestandteil. Der Fokus in diesem Projekt liegt auf optimalen Regelstrategien bezüglich Eigenverbrauch und Wirtschaftlichkeit sowie dessen Integration in die Gebäudeautomation. Durch die Reduktion von Einspeise- und Bezugsspitzen kann auch ein Beitrag zur Stabilisierung des Stromnetzes geliefert werden. Im Gegensatz zu den SmartGrid-Ansätzen wird im vorliegenden Projekt jedoch eine Optimierungs- Strategie von innen nach aussen betrachtet (Abbildung 1). Abbildung 1: Zwiebelschalen-Modell mit lokaler Optimierung im Gebäude im Zusammenhang mit SmartGrid Wichtige Punkte Es sollen verschiedene Gebäudetypen mit unterschiedlichem PV-Anteil untersucht werden. Die Übertragbarkeit der Lösungen ist im Vordergrund. Es sollen universelle Regelstrategien gefunden werden, welche unabhängig vom Gebäudetyp und PV-Anteil funktionieren. Es sind keine speziellen Einzellösungen gefragt. Zwischen den lokalen Produzenten und Verbrauchern müssen geeignete Kommunikationstechniken aufgebaut werden. Es reicht nicht mehr, wenn die Geräte mit separaten Einzelsteuerungen ausgerüstet werden wie bisher. Eine Optimierung des Eigenverbrauchs bzw. Lastmanagement-Funktion sollte als Zusatznutzen in bestehende Regler-Software bzw. Gebäudeautomationslösungen eingebunden werden Die Einstellung der Regler soll aufgrund möglichst weniger verständlicher Parameter erfolgen, da die Betreiber bzw. Installateure sonst überfordert sind. Die Einstellung der Parameter sollte möglichst wenig gebäudespezifisches Know-How voraussetzen, da dieses in der Praxis meistens nicht verfügbar ist. 2/36

3 Folgende quantitative Ziele wurden definiert: Verdoppelung der natürlichen Eigenverbrauchsquote durch regelungstechnische Massnahmen und optimale Kopplung der Komponenten im Gebäude. Gemäss [6] [20] beträgt die natürliche Eigenverbrauchsquote durchschnittlich 20%..40% ohne spezielle Massnahmen. Möglichst hohe zeitliche Deckung von lokaler Produktion und Verbrauch. Das theoretische Ziel ist eine 100%ige Deckung, welche in der Praxis aus Komfortgründen nicht erreicht werden kann. In Simulationen soll untersucht werden, welche Deckung unter Einhaltung des Raumkomforts realistisch ist. Jährliche Einsparung der Energiekosten durch lokale Produktion in der Grössenordnung von CHF 500. Diese Zahl wurde auf Basis von [6] geschätzt, wo das Einsparpotential für einen Elektroboiler mit CHF 400/Jahr angegeben wurde (Verschiebung von Hoch- in Niedertarif). Demnach sollte sich bei Einbezug der Wärmepumpe ein höheres Potential ergeben. Wie hoch das Potential tatsächlich ist, soll anhand von Simulationen untersucht werden. Im Berichtsjahr 2013 wurden folgende Ziele verfolgt: Definition der Gebäudetypen. Für die Simulation werden in der Schweiz typische Gebäudetypen betrachtet. Dazu gehören die Standards Minergie, Mustervorschriften (MuKEn) und Sanierungsbau. Zudem werden verschiedene Gebäudeträgheiten berücksichtigt (Massivbau vs. Leichtbau). Für die Photovoltaik werden realistische Flächen angenommen, welche wirtschaftlich vertretbar sind. Definition der zu betrachtenden Gebäudekomponenten. Der Fokus wird zunächst auf die Kopplung von Photovoltaik mit Wärmepumpen gelegt, wobei die thermische Speicherung in Pufferspeichern sowie in der Gebäudehülle für die Lastverschiebungen genutzt wird. Definition der hydraulischen Schaltungen. Es werden häufig verwendete hydraulische Schaltungen mit Parallel- und Seriespeicher sowie Brauchwassererwärmung betrachtet. Definition der Kommunikations-Schnittstellen. Die einzelnen Komponenten müssen miteinander kommunizieren. Dazu werden Schnittstellen definiert. Zunächst sollen vorhandene Schnittstellen verwendet werden, um die Marktumsetzung schnell zu ermöglichen. Definition der Regelstrategien. Es werden Regelstrategien untersucht, welche den lokalen Eigenverbrauch unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Charakteristika von Produzenten und Verbrauchern optimieren (fluktuierende Produktion durch Photovoltaik vs. Ein/Aus-Steuerung von Wärmepumpen). Dabei ist eine einfache Parametrierung und Übertragbarkeit auf verschiedene Gebäudekonfigurationen im Vordergrund. Aufbau der Simulationsmodelle. Die Simulationsmodelle werden aufgrund der obigen Definitionen in MATLAB/Simulink aufgebaut. Zur Verifikation werden einige Varianten auch in PolySun implementiert, um die Resultate vergleichen zu können. 3/36

4 Durchgeführte Arbeiten und erreichte Ergebnisse DEFINITION GEBÄUDETYPEN In einem ersten Schritt liegt der Fokus auf Einfamilienhäusern (EFH). Es werden folgende Gebäudetypen aus dem IEA Task 44 [12a] betrachtet: SFH100 (Single Family House, 100 kwh/m 2 /Jahr). Entspricht einem typischen schweizer Sanierungsbau. SFH45 (Single Family House, 45 kwh/m 2 /Jahr). Entspricht ca. den Mustervorschriften (Mu- Ken) für Neubauten in der Schweiz. SFH15 (Single Family House, 15 kwh/m 2 /Jahr). Entspricht ca. dem MINERGIE-P-Standard, also einem sehr gut isolierten Haus. Abbildung 2: Gebäude-Geometrie aus Task 44 [12a] Tabelle 1: Wichtigste Gebäudeparameter [12a] Parameter SFH15 SFH45 SFH100 Heiz-Energieverbrauch (kwh/m 2 /Jahr) Netto-Grundfläche ohne Isolation (m 2 ) Stockwerke (Anzahl) Wohnfläche beheizt (m 2 ) Isolationsstärke Aussenwände EPS (mm) Isolationsstärke Dach Steinwolle (mm) U-Wert Konstruktion (W/m 2 K) U-Wert Fenster (W/m 2 K) g-wert Fenster (-) Wärmekapazität (MJ/m 2 K) Leichtbau [29] Wärmekapazität (MJ/m 2 K) Massivbau [29] Typ Wärmeabgabesystem Fussbodenheizung Fussbodenheizung Radiator Wärmekapazität (kj/k) WA-System Lokale Regelung am WA-System Keine Keine Thermostatventil 4/36

5 Parameter SFH15 SFH45 SFH100 Inhalt Pufferspeicher (Liter), erste Annahme Wärmepumpe Heizleistung [kw] Auslegungspunkt 1.8 1) 4.1 1) 7.3 1) Vorlauftemperatur [ C] Auslegungspunkt 35 1) 35 1) 55 1) Rücklauftemperatur [ C] Auslegungspunkt 30 1) 30 1) 45 1) Auslegungspunkt [ C] -10 1) -10 1) -10 1) PV-Fläche [m 2 ] Standard PV-Produktion Peak [kwp] Standard PV-Fläche [m 2 ] Maximal PV-Produktion Peak [kwp] Maximal 16 2) 8 8 PV-Ausrichtung Standard Süd Süd Süd PV-Ausrichtung Maximal mit Anteil Ost-West mit Anteil Ost-West mit Anteil Ost-West 1) Werte aus [12a] für Strassburg für Zürich übernommen 2) Überschreitet 10 kwp kann in Zukunft zwischen Einspeisevergütung und einmaliger Investitionsvergütung entscheiden Als Standort für die Wetterdaten wurde Zürich ausgewählt. Die Wetterdaten stammen von Meteotest. DEFINITION GEBÄUDEKOMPONENTEN Als Resultat von [6] hat sich gezeigt, dass sich für das Lastmanagement bzw. die Eigenverbrauchsoptimierung insbesondere die grossen Verbraucher eignen. Deshalb wurden folgende Komponenten gewählt (siehe auch Abbildung 3). Verbraucher: Wärmepumpe Boiler zur Brauchwassererwärmung Produzenten: Photovoltaik Optional: Solarthermische Anlage Speicher: Pufferspeicher (Heizkreis) Brauchwasserspeicher Gebäudehülle Die solarthermische Anlage wird hier nur optional betrachtet, da elektrische Produzenten und Verbraucher im Vordergrund stehen. Thermische Anlagen werden heute vermehrt durch photovoltaische Anlagen ersetzt, wobei die thermischen Anlagen für die Brauchwassererwärmung nach wie vor interessant sind (100% Eigenverbrauch). 5/36

6 Abbildung 3: Gebäude-Komponenten im Fokus des Projektes (eingekreist: lokale Produzenten und Verbraucher, blau: Gebäudehülle als Speicher) Die Energieflüsse zwischen den Komponenten sind in Abbildung 4 dargestellt. Hier sind die grossen elektrischen wie auch thermischen Energieflüsse im Fokus. Die Wärmepumpe wandelt elektrische in thermische Energieflüsse, welche anschliessend thermisch gespeichert werden. Die direkten elektrischen Verbraucher wie Waschmaschine, Geschirrspüler usw. sind hier nicht im Fokus, da deren Potential für das Lastmanagement bereits in früheren Projekten [6] geringer eingestuft wurde (zumindest bei den heutigen tiefen Stromtarifen). Abbildung 4: Energieflüsse im Fokus des Projektes (eingerahmt). P el elektrische Energieflüsse, Q* thermische Energieflüsse Das Netz dient als elektrischer Puffer für die überschüssige Energie bei lokaler Überproduktion bzw. die bezogene Energie bei lokaler Überlast. Die Maximierung des lokalen Eigenverbrauchs soll die Einspeise- und Bezugsspitzen minimieren und dabei mithelfen, das zukünftige Stromnetz zu stabilisieren. 6/36

7 Für den finanziellen Anreiz der Eigenverbrauchsoptimierung ist die Installation der Elektrozähler entscheidend. Bisher war es üblich, zwei getrennte Zähler für Bezug und Produktion zu installieren (Abbildung 5 links). Dies war auch für die kostendeckende Einspeisvergütung (KEV) so vorgesehen. Bei getrennten Zählern gibt es keinen Anreiz, den produzierten Strom lokal zu verbrauchen. In Zukunft wird sich aber gemäss Revision der Energieverordnung [22] für Kleinanlagen bis 10 kw (wahlweise bis 30 kw) die Installation mit einem Zähler für die Überschuss-Messung durchsetzen. Damit ist der finanzielle Anreiz zum Eigenstromverbrauch klar gegeben. Abbildung 5: Bisherige Zählerinstallationen. Links Messart Produktion mit zwei getrennten Zähler für Einspeisung und Bezug, Rechts Messart Überschuss mit nur einem Zähler 7/36

8 DEFINITION HYDRAULISCHE SCHALTUNGEN Für Vergleichszwecke werden die Standard-Schaltungen aus [23] verwendet. Dabei wird der Fokus auf die am häufigsten verwendeten Schaltungen unten gelegt. STASCH 6 mit Parallelspeicher Als primär verwendete Variante wird STASCH 6 mit einem Parallelspeicher betrachtet, siehe Abbildung 6. Der Parallelspeicher hat den Vorteil, dass sich eine Temperaturschichtung bilden kann. Falls eine getrennte Entladeregelung realisiert ist (Mischventil F in der Abbildung), kann der Speicher auf ein höheres Temperaturniveau gefahren werden, ohne den Komfort im Gebäude negativ zu beeinflussen (auch für Fussbodenheizungen ohne Thermostatventile). Diese Option ist für die Eigenverbrauchsoptimierung interessant. Optional wird mit der Wärmepumpe Brauchwasser erwärmt über eine Umschaltung mit Priorisierung. Ein Elektrozusatz im Boiler kann aus hygienischen Gründen notwendig sein, falls die Wärmepumpe das notwendige Temperaturniveau nicht erreicht. Auch der Elektrozusatz ist interessant für die Eigenverbrauchsoptimierung, da er eine grosse Last im kw-bereich darstellt. Abbildung 6: Standardschaltung 6 mit Parallelspeicher und optionaler Warmwassererwärmung [23] 8/36

9 STASCH 4 mit Seriespeicher Als sekundär verwendete Variante wird STASCH 4 mit einem Seriespeicher im Rücklauf betrachtet, siehe Abbildung 7. Der Seriespeicher ist vollständig durchmischt und dient zur Erhöhung der Trägheit des Wasserkreislaufes bei getaktetem Betrieb (speziell bei Radiatorheizungen). Der Einbau des Speichers im Vorlauf wird aus Effizienzgründen nicht empfohlen und wird deshalb nicht betrachtet. Regelungstechnisch ist der Seriespeicher weniger interessant als der Parallelspeicher, da hier keine getrennte Entladeregelung stattfinden kann. Das Wärmeabgabesystem (WA) ist direkt an die Wärmepumpe (WP) gekoppelt, weshalb hier kein Überladen stattfinden kann, ohne den Komfort negativ zu beeinflussen. Hier besteht auch die Option der Brauchwasser-Erwärmung wie bei STASCH 6. Abbildung 7: Standardschaltung 4 mit Seriespeicher im Rücklauf und optionaler Warmwassererwärmung [23] 9/36

10 DEFINITION BISHERIGE REGELSTRATEGIEN In diesem Abschnitt werden bisher in der Praxis verwendete, einfache Regelstrategien betrachtet. Zeitprogramm Der einfachste konventionelle Ansatz ist in Abbildung 8 dargestellt. Dabei wird in der Wärmepumpensteuerung ein festes Zeitprogramm definiert mit Freigabe oder Anhebung über die Mittagszeit. Abbildung 8: Festes Zeitprogramm, Freigabe der Wärmepumpe über die Mittagszeit Problematik Zeitprogramm Das Zeitprogramm muss je nach Jahreszeit und Gebäudetyp bzw. Grösse der PV-Anlage eingestellt werden, wie Abbildung 9 zeigt. Situation Frühling/Herbst: Im besten Fall ist eine grosse PV-Anlage auf einem sehr gut isoliertes Haus installiert. Dann reicht eine kurze Freigabe über die Mittagszeit aus. Bei kleineren PV-Anlagen und Sanierungsbauten kann das ganz anders aussehen. Situation Winter: Im schlechtesten Fall ist eine kleine PV-Anlage auf einem mässig isolierten Haus installiert. Damit in diesem Fall keine Komforteinbusse eintritt, muss die Freigabezeit massiv erhöht werden. Innerhalb der Freigabezeit wird die Wärmepumpe zufällig takten und der kleine PV-Peak kann nicht optimal genutzt werden. Generell: Die optimale Wahl des Zeitpgrogramms ist stark vom Gebäude, der PV-Fläche und der Jahreszeit abhängig. Abbildung 9: Situation im Frühling/Herbst mit hoher PV-Produktion und im Winter mit tiefer PV- Produktion. Freigabe der Wärmepumpe und mögliche Schaltzyklen (blau). 10/36

11 Leistungsgrenze Ein ebenfalls bekannter Ansatz ist in Abbildung 10 dargestellt. Es wird eine minimale PV- Leistungsgrenze definiert, bei welcher die Wärmepumpe freigegen wird. Abbildung 10: Feste Leistungsgrenze, Freigabe der Wärmepumpe beim Überschreiten einer minimalen PV-Produktion Problematik Leistungsgrenze Die Leistungsgrenze muss je nach Jahreszeit und Gebäudetyp bzw. Grösse der PV-Anlage eingestellt werden, wie Abbildung 11 zeigt. Situation Frühling/Herbst: Im besten Fall ist eine grosse PV-Anlage auf einem sehr gut isolierten Haus installiert. Dann reicht die Leistungsgrenze als Regelstrategie aus. Sie kann entsprechend hoch eingestellt werden, um den Leistungsbedarf der Wärmepumpe zu decken. Situation Winter: Im schlechtesten Fall ist eine kleine PV-Anlage auf einem mässig isolierten Haus installiert. Die Leistungsgrenze müsste sehr tief eingestellt werden, um eine genügend lange Freigabe der Wärmepumpe zu gewährleisten. Dazu kommt das zufällige Takten der Wärmepumpe. Generell: Auch die Einstellung der Leistungsgrenze ist abhängig vom Gebäude, PV-Anteil und der Jahreszeit Abbildung 11: Situation im Frühling/Herbst mit hoher PV-Produktion und tiefem Verbrauch der Wärmepumpe, hohe Leistungsgrenze, um zu häufiges Einschalten zu vermeiden hohe Deckung 11/36

12 Variante der Leistungsgrenze: Bregrenzung der Bezugs-Leistung Eine weitere Variante ist die Begrenzung der Bezugsleistung. Bei Grossverbrauchern besteht dafür ein Business Case, weil dort pro kw maximaler Bezugsleistung abgerechnet wird (neben der Abrechung der Energie in kwh). Bei kleinen Verbrauchern (Einfamilienhäuser) ist dieser Business Case zumindest heute noch nicht gegeben. Die Begrenzung der Bezugsleistung hat prinzipiell die gleiche Problematik wie die PV- Leistungsgrenze oben. Auch sie ist abhängig vom Gebäudetyp, PV-Anteil und der Jahreszeit (im Winter müsste die Bezugslimite höher gesetzt werden als im Sommer). Die Strategie der Bezugs-Leistungsgbegrenzung verfolgt ein anderes Regelziel und optimiert den Eigenverbrauch nicht zwingend. Abbildung 12: Feste Bezugs-Leistungsgrenze, Sperrung der Wärmepumpe beim Überschreiten eines maximalen Bezugs aus dem Netz Variante der Leistungsgrenze: Begrenzung der Einspeise-Leistung In Deutschland ist die Begrenzung der Einspeiseleistung von PV-Anlagen ab Pflicht, um das Stromnetz im Sommer zu entlasten. Einzelne Hersteller wie SMA [20] bieten bereits Lösungen auf dem Markt an, um bei vorhandener Begrenzung der Einspeiseleistung den lokalen Eigenverbrauch zu optimieren. In der Schweiz liegt der PV-Anteil derzeit unter 1%. Damit ist die Belastung des Stromnetzes marginal. In absehbarer Zeit wird es deshalb keine Leistungsbegrenzungen für die Einspeisung benötigen. Die in der Energiestrategie [1] geforderten 20% PV-Anteil bis 2050 sind sehr optimistisch. Falls der PV- Anteil in nächster Zeit tatsächlich massiv gesteigert werden könnte, würden ähnliche Forderungen auch in der Schweiz kommen. Allerdings sollte ein Netzausbau höhere Priorität haben als die Begrenzung der Einspeiseleistung. Die Strategie der künstlichen Begrenzung der Einspeise-Leistung verfolgt ein anderes Regelziel und optimiert den Eigenverbrauch nicht zwingend. 12/36

13 DEFINITION NEUE REGELSTRATEGIEN In diesem Abschnitt werden neue Regelstrategien betrachtet, welche den Eigenverbrauch gezielt optimieren sollen. Dazu muss zunächst der Eigenverbrauch definiert werden. Definition des Eigenverbrauchs Eigenverbrauchsverhältnis Das Eigenverbrauchsverhältnis wird gemäss Simulations-Software PolySun [36] wie folgt definiert: R ocs = (E cs E feg ) E acp (i) R ocs E cs E feg E acp Eigenverbrauchsverhältnis Gesamter Stromverbrauch Netzbezug Eigenstromproduktion Das Eigenverbrauchsverhältnis (i) gibt an, welcher Anteil des lokal produzierten PV-Stroms selbst verbraucht wird. Problematik beim Eigenverbrauchsverhältnis Das Eigenverbrauchsverhältnis ist starken saisonalen Schwankungen unterworfen. Zudem ist es abhängig vom Verhältnis zwischen der installierten Leistung des Produzenten (PV-Anlage) und des Verbrauchers (Wärmepumpe). Das Eigenverbrauchsverhältnis eignet sich also nicht als alleiniges Kriterium zur Beurteilung der Regelkonzepte. Zur Entschärfung dieser Problematik führt [35] den Begriff des natürlichen Eigenverbrauchs ein. Der natürliche Eigenverbrauch entsteht ohne spezielle regelungstechnische Massnahmen. Dieser kann mit dem Eigenverbrauch nach regelungstechnischer Optimierung verglichen werden, was zum Optimierungsfaktor (ii) führt. r ocs = R ocs / R ocs_natürlich R ocs R ocs,natürlich r ocs Eigenverbrauchsverhältnis nach Optimierung natürliches Eigenverbrauchsverhältnis vor Optimierung Optimierungsfaktor Es ist anzunehmen, dass auch der Optimierungsfaktor (ii) für ein gegebenes Regelkonzept saisonalen Schwankungen unterworfen sein wird. Deshalb ist neben einer jährlichen Auswertung unbedingt eine saisonale Auswertung notwendig. (ii) Autarkiegrad Zur Beschreibung der zeitlichen Deckung von Produktion und Verbrauch eignet sich der Autarkiegrad besser. Er wird in PolySun [36] wie folgt definiert: R aut = E dcs E cs (iii) R aut E dcs E cs E acp Autarkiegradgrad min(e cs, E acp ); entspricht der selbst genutzten Solarenergie Gesamter Stromverbrauch Eigenstromproduktion Abbildung 1 illustriert die Definition des Autarkiegrades an einem Beispiel. Es ist anzunehmen, dass auch der Autarkiegrad (iii) für ein gegebenes Regelkonzept saisonalen Schwankungen unterworfen sein wird. Deshalb ist neben einer jährlichen Auswertung unbedingt eine saisonale Auswertung notwendig. 13/36

14 P [W] PV-Produktion 0 24 t [h] Abbildung 13: Illustration des Autarkiegrades. Der Autarkiegrad beziffert das Verhältnis des selbst genutzten Solarstroms (grüne Flächen) durch den gesamten Stromverbrauch (grüne + rote Flächen). Definition des Gütekriteriums Zur Beurteilung der Regelgüte reicht die Definition des Eigenverbrauchs bzw. des Autarkiegrades nicht aus. Hier spielen auch weitere Faktoren wie der Komfort, Effizienz und Energiekosten eine Rolle. In einem regelungstechnischen Gütekriterium müssen folgende Faktoren berücksichtigt sein: Eigenverbrauch / Autarkiegrad (s. Definitionen oben) Komfort (z.b. Abweichung der Raumtemperatur) Effizienz (z.b. COP der Wärmepumpe, Speicherverluste) Energiekosten (Sicht des Eigentümers: effektive Kosten in CHF für den Netzbezug) Eine mathematisch exakte Definition des Gütekriteriums ist im Abschnitt Model Predictive Control, Formel ( 3 ) mit Berücksichtigung von ( 1 ) gegeben Wesentlich ist, dass die Optimierung des Eigenverbrauchs nicht auf Kosten der Effizienz geht. Da die Gewichtung zwischen Komfortbedürfnis und energetischer Optimierung subjektiv ist, soll der Benutzer in einer späteren Umsetzung seine Wünsche einfach einstellen können. Dies kann beispielsweise über einen «Schieberegler» (Abbildung 14) geschehen. Es sollen keine aufwändige Einstellung durch den Installateur notwendig sein. Abbildung 14: Einfache Einstellung des Benutzer-Wunsches zwischen Maximierung des Komforts und Maximierung des Eigenverbrauchs bzw. Minimierung der Energiekosten Mathematisch führt die Einstellung gemäss Abbildung 14 auf entsprechende Gewichtungen im Gütekriterium ( 3 ) für den MPC-Fall. Virtueller Energiepreis Zur gezielten Optimierung bezüglich Eigenverbrauch, Effizienz und Energiekosten wird als NEUHEIT ein virtueller Energiepreis definiert (Abbildung 15). Mit diesem können sowohl elektrische wie auch thermische Energieflüsse bewertet werden. Im virtuellen Energiepreis wird der effektive Stromtarif, die lokale PV-Produktion und der COP (Coefficient of Performance) der Wärmepumpe berücksichtigt. In die Bewertung der elektrischen Energieflüsse (Abbildung 15 oben, blaue Kurve) fliesst der elektrische Tarif ein. Hier wird ein fixer Tag/Nacht-Tarif angenommen, wie heute üblich. In Zukunft können beliebige variable Tarife berücksichtigt werden. Die lokale PV-Produktion wird anteilmässig berücksichtigt (rote Kurve). Zu Zeiten der PV-Produktion wird berechnet, wie gross der momentane Anteil an der elektrischen Leistungsaufnahme der Wärmepumpe ist. Entsprechend wird der elektrische Tarif nach unten korrigiert. Die Kosten der PV-Produktion werden im einfachsten Fall als null angenom- 14/36

15 men. Dies ist zwar keine wirtschaftliche Betrachtung, führt aber zu einer gezielten Optimierung des Eigenverbrauchs (die Wärmepumpe wird zu Zeiten minimalen Tarifs eingeschaltet). Abbildung 15: Virtueller Energiepreis zur Bewertung von elektrischer und thermischer Energie unter Berücksichtigung der lokalen Produktion und der Effizienz des Wärmeerzeugers (bei Wärmepumpe COP). In die Bewertung der thermischen Energieflüsse (Abbildung 15 unten, blaue Kurve) fliesst neben dem elektrischen Tarif auch der COP (Coefficient of Performance) mit ein. Damit kann die momentan zur Verfügung stehende Heizleistung der Wärmepumpe aufgrund der aktuellen Stromkosten und des aktuellen COPs bewertet werden. In der Abbildung ist für beispielhafte COP-Werte der entsprechende Tarif dargestellt. Dieser entsteht durch Divsion des elektrischen Tarifs durch den COP (z.b. Nacht 10 Rp/kWh durch COP 2 5 Rp./kWh). Auch hier reduziert sich der Tarif über Mittag aufgrund der lokalen PV-Produktion (rote Kurve), da der zugrundeliegende elektrische Tarif entsprechend korrigiert wird. Ähnlich könnte auch die lokale Produktion einer solarthermischen Anlage berücksichtigt werden (rot gestrichelte Kurve). Je nach Optimierungsziel können folgende Preismodelle definiert werden: Reine Eigenverbrauchsoptimierung. Elektrischer Tarif wird über Tag und Nacht als konstant angenommen, variierender COP wird nicht berücksichtigt. Reine Effizienzoptimierung. Der elektrischer Tarif wird über Tag und Nacht als konstant angenommen, die lokale Produktion wird nicht berücksichtigt. Reine Kostenoptimierung. Es werden heute übliche Tag/Nacht-Tarife und die lokale Produktion berücksichtigt. Damit wird die Wärmepumpe auch bei tiefen Tarifen in der Nacht eingeschaltet. Interessant sind die Kombinationen obiger Varianten. In Zukunft können mit diesem Modell sehr einfach variable Stromtarife berücksichtigt werden. Somit kann auch eine externe Beeinflussung durch den Energieversorger stattfinden. DEFINITION KOMMUNIKATIONS-SCHNITTSTELLEN Die Wärmepumpen müssen mit Schnittstellen ausgestattet sein, welche die externe Ansteuerung ermöglichen. Dazu werden folgende Möglichkeiten betrachtet: Verwenden der EW-Sperre (Relais-Eingang) zur Sperrung/Freigabe der Wärmepumpe Verwenden einer externen Sollwert-Vorgabe (stetig) zum Schieben der Heizkurve Neuer SG-Ready-Standard [19b] mit 4 Betriebszuständen (Sperre, Normal, Anhebung, Anlaufbefehl) Weitere Schnittstellen (Bus) 15/36

16 OPTIMIERUNG MIT KLASSISCHER REGELTECHNIK Die Optimierung mit klassischer Regeltechnik liegt im Fokus des Projektes. Der Vorteil dieser Regelkonzepte ist die einfache Verständlichkeit und Parametrierung. Tabelle 2 gibt eine erste Übersicht zu möglichen Regelkonzepten zusammen mit den erforderlichen Schnittstellen an der Wärmepumpe. Die Spalte Extern bezeichnet Regelkonzepte, welche eine externe Logik benötigen. Diese kann in Zukunft auch in die Wärmepumpen-Regler integriert werden. Die hier erwähnten Regelstrukturen werden weiter unten beschrieben. Die Liste ist noch nicht vollständig und wird im weiteren Projektverlauf ergänzt. Tabelle 2: Regler-Typen benötigte Schnittstellen. Konfiguration = Einstellung an heutigen Standard- Reglern möglich. Extern = Externe Logik notwendig. Regelstruktur Heizkurven-Regelung mit Freigabe durch Zeitprogramm Heizkurven-Regelung mit Freigabe durch Zeitprogramm und Überwachung der Raumtemperatur Heizkurven-Regelung mit Freigabe durch PV-Leistungsgrenze Heizkurven-Regelung mit Freigabe durch PV-Leistungsgrenze und Überwachung der Raumtemperatur Direkte Regelung mit PV- Leistungsgrenze Virtueller Preis mit direkter Ein/Aus-Regelung Virtueller Preis mit Beeinflussung der Heizkurve x Konfiguration EW- Sperre Sollwert (stetig) SG- Ready Raumfühler Extern x (x) 1) x (x) 1) x x x x x x x x x x x x x Model Predictive Control (MPC) x x x 1) Kann je nach Ausführung des Wärmepumpen-Reglers bereits integriert sein x Anhebung Pufferspeicher Zur kurzfristigen Speicherung kann das Temperaturniveau des Pufferspeichers angehoben werden. Diese Möglichkeit besteht bereits in heutigen Steuerungen mit SG-Ready-Standard. Falls eine getrennte Entladeregelung über Mischventile oder Raumthermostate installiert ist, wird dadurch der Komfort nicht beeinflusst. Durch das höhere Temperaturniveau wird aber die Energieeffizienz des Systems reduziert. Diese Variante soll im folgenden Projektverlauf weiter untersucht werden. Einbindung Brauchwasser-Erwärmung Für die Einbindung des Brauchwarmwasser-Speichers müssen obige Regelkonzepte erweitert werden. Dies soll im folgenden Projektverlauf weiter untersucht werden. Auch hier ist eine kurzfristige Anhebung möglich. Durch Messung der Speichertemperatur ist der Zustand des Wasserspeichers bekannt. 16/36

17 ONLINE-OPTIMIERUNG MIT MODELLBASIERTER REGELTECHNIK Als Vergleich sollen auch modellbasierte Regelmethoden untersucht werden. Model Predictive Control (MPC) [28] [30] eignet sich speziell für träge Gebäude, da dieser Algorithmus die zukünftigen Verläufe berücksichtigt. Damit ist auch die Integration einer Wetter- und Tarifprognose möglich, wie Abbildung 16 zeigt. Speziell die Tarifprognose wird in einer Zukunft mit variablen Stromtarifen eine wichtige Rolle spielen. Im vorliegenden Projekt liefert MPC aufgrund der echten Online-Optimierung einen BENCHMARK, mit welchem die einfacheren (klassischen) Regelmethoden verglichen werden können. Es können auch verschiedene Prognosemodelle für Wetter und Tarife verglichen werden. Als grosser Vorteil können die Speicher im Gebäude (Wasserspeicher aber auch Gebäudehülle) direkt modelliert werden und werden in der Prädiktion berücksichtigt. Abbildung 16: Model Predictive Control (MPC) mit Wetter- und Tarifprognose, sowie Modell von Gebäude und Speicher 17/36

18 REGELSTRUKTUREN In MATLAB/Simulink werden mit der CARNOT- [24] bzw. CARSYS-Toolbox [25] für die definierten Einfamilienhäuser SFH15/45/100 [12a] entsprechende Simulationsmodelle für verschiedene Regelstrukturen aufgebaut. Es wurden erste Simulationen durchgeführt, welche allerdings noch keine quantitative Aussagen ermöglichen. Dennoch wurden daraus erste THESEN abgeleitet, welche im weiteren Projektverlauft ÜBERPRÜFT werden. Als hydraulische Schaltung wird zunächst eine vereinfachte STASCH 4 [23] gewählt und mit einer PV-Anlage ergänzt. Als Vereinfachung wird noch kein separater Pufferspeicher betrachtet, was für ein SFH15 oder SFH45 mit Fussbodenheizung prinzipiell möglich ist. Es sind keine dezentralen Raumthermostate vorhanden. Heizkurven-Regelung mit Freigabe durch Zeitprogramm Das Schema in Abbildung 17 zeigt eine bisherige Standard-Lösung für die Maximierung des Eigenverbrauchs, indem die Wärmepumpe über ein festes Zeitprogramm über die Mittagszeit freigegeben wird. Das Zeitprogramm kann in heutigen Wärmepumpensteuerungen vorgegeben werden. Die Regelung erfolgt Standard-mässig über eine Heizkurve, hier als Rücklauftemperatur-Regelung ausgeführt. Abbildung 17: Rücklauftemperatur-Regelung über Heizkurve (2Pkt = Zweipunkt-Regler), Zeitprogramm zur Freigabe der Wärmepumpe, optionale Raumtemperatur-Überwachung (TC R). PV = Photovoltaik, WP = Wärmepumpe, WA = Wärmeabgabe, TC = Temperatur-Control, VL = Vorlauf, RL = Rücklauf, A = Aussen, Mit dem Zeitprogramm können folgende Varianten gefahren werden: Vollständige Sperrung bzw. Freigabe der Wärmepumpe während vordefinierten Zeiten Festlegung einer Temperaturabsenkung bzw. Anhebung während vordefinierten Zeiten Das Zeitprogramm ist eine reine STEUERUNG. Die Einstellung muss von Hand erfolgen und durch den Benutzer optimiert werden. Die gefundenen Einstellungen sind nicht auf andere Gebäude oder Anlagenkonfigurationen übertragbar. Zudem ist mit einer reinen Steuerung nicht garantiert, dass die Raumtemperatur eingehalten wird. Um die Einhaltung der Raumtemperatur zu garantieren, muss der REGELKREIS geschlossen werden. Durch die Messung der Raumtemperatur ist gewährleistet, dass diese unabhängig von der Einstellung des Zeitprogramms im Komfortbereich liegt. Die einfachste Lösung ist in Abbildung 17 aufgezeigt. Hier wird die Raumtemperatur nur bezüglich einer unteren und oberen Grenze überwacht. Bei Unter- oder Überschreiten wird das Zeitprogramm übersteuert, d.h. die Wärmepumpe wird zwangshalber freigegeben oder gesperrt. Diese Logik kann wie folgt realisiert werden: Externe Ansteuerung über EW-Freigabe. Interne Ansteuerung. Die meisten Hersteller bieten heutzutage in ihren Steuerungen eine Berücksichtigung der Raumtemperatur als Option an. 18/36

19 Bemerkung zur Positionierung des Raumtemperatur-Fühlers: Die Positionierung des Raumtemperatur-Fühlers ist in der Praxis nicht einfach. Der Fühler darf nicht direkter Sonnenstrahlung ausgesetzt sein und sollte dort installiert sein, wo sich die Bewohner am meisten aufhalten und die höchsten Komfort-Ansprüche haben (Wohnzimmer). Als Alternative kann auch über mehrere Sensoren an verschiedenen Positionen gemittelt werden. Bei der Installation muss dieser Punkt sorgfältig beachtet werden. Bemerkung zur Notwendigkeit des Raumtemperatur-Fühlers: Trotz der oben beschriebenen Problematik wird die Erfassung der Raumtemperatur sehr empfohlen. Es ist die eigentliche Zielgrösse (Regelgrösse), welche aus regelungstechnischer Sicht klar erfasst werden muss. Die Problematik falsch eingestellter Heizkurven kann durch die Erfassung der Raumtemperatur ebenfalls entschärft werden. Moderne Heizungsregler können die Heizkurve aufgrund der Abweichung in der Raumtemperatur automatisch korrigieren. THESE NR. 1: Um den Komfort auch bei nicht optimaler Einstellung des Zeitprogramms/Heizkurve einzuhalten, muss die Raumtemperatur überwacht werden. Die Raumtemperatur beschreibt in diesem Fall den Zustand des grössten Speichers im System, nämlich des Gebäudes selber. Ein systematisches Speichermanagement ist nur möglich, wenn der Zustand des Speichers erfasst wird (bei thermischen Speichern die Temperatur). Bei zusätzlichen Puffer- und Brauchwasserspeichern im System müssen deren Temperaturen erfasst werden. Auch der Heizkreis selber (Wasserkreislauf) ist ein Speicher, welcher über die Rücklauftemperatur erfasst wird. Im Prinzip ist der Zustand jedes Speichers über seine Temperatur definiert. In heutigen Systemen werden diese Temperaturen bereits standardmässig erfasst. Heizkurven-Regelung mit Freigabe durch PV-Leistungsgrenze Das Schema in Abbildung 18 zeigt eine einfache Lösung für die Maximierung des Eigenverbrauchs, indem die Wärmepumpe beim Überschreiten einer minimalen PV-Leistung freigegeben wird. In heutigen Wärmepumpensteuerungen ist diese Lösung noch kein Standard, sie kann aber durch eine einfache externe Logik bewerkstelligt werden. Die Wärmepumpen-interne Regelung erfolgt standardmässig über eine Heizkurve, hier als Rücklauftemperatur-Regelung ausgeführt. Abbildung 18: Messung der PV-Leistung und Freigabe der Wärmepumpe beim Überschreiten einer vorgegebenen Leistungsgrenze. Rücklauf-Regelung mit Heizkurve. Optionale Raumtemperatur- Überwachung. Falls die Raumtemperatur nicht überwacht wird, stellt sich hier dieselbe Problematik wie beim Zeitprogramm. Der Komfort ist bei falscher Einstellung nicht mehr garantiert. Mit Überwachung der Raumtemperatur kann der Komfort eingehalten werden, unabhängig von der eingestellten Leistungsgrenze. Der Benutzer kann das Verhalten gezielt beeinflussen, indem er die Temperaturgrenzen entsprechend wählt. Bei engen Temperaturgrenzen priorisiert der Benutzer den Komfort, bei weiten Temperaturgrenzen den lokalen Eigenverbrauch bzw. die Energiekosten. 19/36

20 THESE NR. 2: Das Verhältnis zwischen Komfort und Eigenverbrauchsoptimierung kann durch das Setzen der gewünschten Raum-Temperaturgrenzen festlegt werden. Direkte Regelung mit PV-Leistungsgrenze Obige Lösungen steuern die Wärmepumpe indirekt an, indem beispielsweise die EW-Sperre als Freigabesignal verwendet wird. Das Einschalten der Wärmepumpe wird dabei nicht forciert. Folgend wird Lösung untersucht, welche das Einschalten der Wärmepumpe forciert. Die Wärmepumpe müsste dazu eine Schnittstelle haben, über welche der Start ERZWUNGEN werden kann (unter Einhaltung der minimalen Schaltzeiten). Solche Schnittstellen sind heute noch nicht standardmässig vorhanden, sie können aber in Zukunft mit dem SG-Ready-Standard Verbreitung finden. In Abbildung 19 wird die Wärmepumpe direkt (forciert) eingeschaltet, sobald die PV-Produktion eine gewisse Schwelle überschreitet. Zudem wird der Komfortbereich der Raumtemperatur überwacht (über Temperaturgrenzen). Abbildung 19: Messung der PV-Leistung und DIREKTES Einschalten der Wärmepumpe beim Überschreiten einer vorgegebenen Leistungsgrenze. Mit Raumtemperatur-Überwachung, aber ohne Heizkurve. Mit der direkten Ansteuerung kann das Aufstarten der Wärmepumpe erzwungen werden. Erste Simulationen haben gezeigt, dass damit der Eigenverbrauch gegenüber der indirekten Freigabe tatsächlich erhöht werden kann. THESE NR. 3: Ein forciertes Starten der Wärmepumpe (erzwungenes Einschalten) kann den Eigenverbrauch gegenüber einer indirekten Ansteuerung (nur Freigabe über EW-Sperre) erhöhen. 20/36

21 Virtueller Preis mit direkter Ein/Aus-Regelung Folgend wird ein neuer Ansatz aufgezeigt, welcher einen virtuellen Energiepreis verwendet. Damit wird ein regeltechnisches Kriterium definiert, welches die momentanen Kosten der elektrischen oder thermischen Energie bewertet. Das Ziel der Regelung ist es, diese Kosten zu minimieren bei gleichzeitiger Einhaltung des Komforts. Es wird unterschieden zwischen dem Energiepreis, welcher der Produzent tatsächlich bezahlen muss und dem Energiepreis, welcher der Konsument bereit ist zu zahlen. Definition Energiepreis Produzent (PV-Anlage mit Wärmepumpe): pel, tarif P = max 1 PV p, 0 prod ( 1 ) COP( TQE, TVL ) Pel Mit p el,tarif = Tarif elektrische Energie, COP = momentaner COP (Coefficient of Performance) in Funktion der Quelleneintrittstemperatur T QE und Vorlauftemperatur T VL, P PV = momentane Photovoltaik- Produktion, P el = momentane elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe. Mit dieser Definition können sowohl die lokale Deckung (P PV /P el ), der COP, wie auch die effektiven Energiekosten (Einfluss von p el,tarif ) optimiert werden. Definition Energiepreis Konsument (Gebäude): kons Komfort ( TR Soll TR ) poffset p = r, + ( 2 ) Mit r Komfort = Preis, welcher der Konsument pro Grad Abweichung der Raumtemperatur bereit ist zu zahlen, T R,Soll = Soll-Raumtemperatur, T R = Ist-Raumtemperatur, p offset = Grundpreis für T R,Soll = T R. Über den Komfortparameter r Komfort kann der Benutzer seinen Komfort-Wunsch gezielt einstellen gemäss Abbildung 14. Die Wärmepumpe wird eingeschaltet, sobald der Konsumenten-Preis p kons den Produktions-Preis p prod übersteigt. Dann lohnt es sich für den Produzenten, sich einzuschalten. Die regelungstechnische Umsetzung ist in Abbildung 20 aufgezeigt. Ein Zweipunkt-Regler schaltet die Wärmepumpe ein, sobald der Konsumenten-Preis über dem Produzenten-Preis liegt. Ähnliche Überlegungen wurden in [5] für einzelne Haushaltgeräte wie Tiefkühltruhen gemacht. Allerdings ist die Definition des virtuellen Produzenten-Preises und die Anwendung auf Raumwärme in diesem Projekt neu. Abbildung 20: Virtueller Preis des Produzenten (aus externem Tarif, PV-Leistung, COP), virtueller Preis des Konsumenten (aus Raumtemperatur), Vergleich der beiden Preise über einen Zweipunkt- Regler, direkte Ansteuerung der Wärmepumpe (Ein/Aus). 21/36

22 Mit obigem Ansatz können verschiedene Regelziele verfolgt werden: 1. Eigenverbrauchsoptimierung. Optimierung des Eigenverbrauchs über das Verhältnis (P PV /P el ). Dazu wird in Formel ( 1 ) der elektrische Tarif p el,tarif und der COP konstant gelassen. Die Wärmepumpe schaltet bei hoher lokaler Produktion ein. 2. Effizienzoptimierung. Optimierung des COP. Dazu wird das Verhältnis (P PV /P el ) und der elektrische Tarif p el,tarif konstant gelassen. Die Wärmepumpe schaltet bei hohem COP ein. 3. Kostenoptimierung. Dazu wird der elektrische Tarif p el,tarif auf eine heute übliche Tag/Nacht- Vorgabe gelegt. Die Wärmepumpe schaltet dann zu tiefen Tarifzeiten ein, also auch in der Nacht. Obige Ansätze können kombiniert werden. In Zukunft können mit diesem Ansatz auch beliebige variable elektrische Tarife berücksichtigt werden (p el,tarif = variabel). THESE NR. 4: Mit dem vorgeschlagenen Ansatz des virtuellen Energiepreises wird eine kombinierte Optimierung bezüglich lokalem Eigenverbrauch, effizientem Betrieb, und/oder minimalen effektiven Energiekosten möglich. Mit diesem Ansatz können auch zukünftige variable Tarifstrukturen berücksichtigt werden. Bei der Optimierung des Eigenverbrauchs sollte die Effizienz des Systems nicht ausser Acht gelassen werden. Eine Erhöhung der Systemtemperaturen (Raum und/oder Speicher) hat eine Verschlechterung des COP und erhöhte Verluste zur Folge. Darum muss bei der Eigenverbrauchsoptimierung auch die Effizienz des Systems betrachtet werden. Dazu wurde der COP im virtuellen Energiepreis berücksichtigt. THESE NR. 5: Eine reine Eigenverbrauchsoptimierung kann auf Kosten der Effizienz gehen. Deshalb muss neben der Optimierung des Eigenverbrauchs immer auch die Effizienz des Systems betrachtet werden. 22/36

23 Virtueller Preis mit Beeinflussung der Heizkurve Folgend wird die Idee des virtuellen Preises mit der konventionellen Heizkurve gekoppelt. Damit können Standard-Wärmepumpen-Regler verwendet werden. Es ist ein zusätzlicher (Analog-)Eingang zur Verstellung der Heizkurve (Sollwert) notwendig, was z.b. CTA anbietet. Der Offset der Heizkurve wird über einen kontinuierlichen P(ID)-Regler aus der Differenz zwischen Konsumenten- und Produzenten- Preis berechnet. PV ET Tarif kwh Netzanschluss TC VL Vorlauf Fühler PT PV = COP WP WA TC R Raum Fühler Offset Heizkurve Preis Produzent «PV/WP» Regler PID 2Pkt TC RL TC I-8 Heizkurve Preis Konsument «Raum» Abbildung 21: Beeinflussung der Heizkurve über virtuellen Preis und kontinuierlichen PID-Regler. Erste Simulationen haben gezeigt, dass auch mit dieser Lösung ähnlich gute Resultate wie bei der direkten Regelung erzielt werden können. Allerdings ist das Verhalten sehr unterschiedlich, je nach Verhältnis der WP-Leistung zur Gebäudelast. Model Predictive Control (MPC) mit virtuellem Preis Als BENCHMARK soll in diesem Projekt ein MPC-Regler mit echter Online-Optimierung verwendet werden. Damit können die heuristischen Ansätze oben verglichen werden. Abbildung 22 zeigt das Schema mit Model Predictive Control. Wie der Name sagt, beruht der MPC- Regler auf einem modellbasierten Ansatz mit Vorhersagemöglichkeit (Prädiktion). Als Modell wird ein vereinfachtes, linearisiertes Gebäudemodell verwendet. Die Stellgrössen des Reglers werden für einen gewählten Prädiktionshorizont vorausberechnet unter Berücksichtigung von Prognosedaten. Es kann also eine Wetterprognose (als Störgrösse) berücksichtigt werden. Auch der zukünftige Verlauf der Raumtemperatur und des virtuellen Preises wird vorausberechnet aufgrund der berechneten Stellgrösse. Der Verlauf der Stellgrösse wird laufend optimiert, so dass ein vorgegebenes Gütekriterium eingehalten wird. Es handelt sich also um einen Regler mit Online-Optimierungsalgorithmus. 23/36

24 Abbildung 22: MPC-Regler mit Berücksichtigung der Raumtemperatur, Produzenten-Preis und Wetter. Die Pulsbreiten-Modulation (PWM) wandelt die kontinuierliche Stellgrösse des Reglers in ein Ein/Aus- Signal. Der grosse Vorteil des MPC-Reglers liegt darin, dass er ein vorgegebenes GÜTEKRITERIUM online optimieren kann. Als erster Ansatz wird folgendes quadratische Gütekriterium definiert: [ wr ( TR, Soll TR ) + wp ( psoll pprod ) + wu u ] J( u) = dt ( 3 ) Mit u wird die Stellgrösse bezeichnet, welche dermassen vorausberechnet wird, dass das Gütekriterium J(u) im Prädiktionshorizont minimiert wird. Das Gütekriterium enthält die Raumtemperatur T R als Komfortmass, sowie den virtuellen Preis p prod gemäss ( 1 ) als kombiniertes Mass für den Eigenverbrauch, die Energieeffizienz und die Energiekosten. Mit den GEWICHTUNGEN w i kann das Ziel der Optimierung wie folgt beeinflusst werden: Komfortoptimierung. Gewichtung w R gross kleine Abweichungen der Raumtemperatur T R vom Sollwert T R,Soll. Kostenoptimierung. Gewichtung w P gross kleine Abweichungen des Produktions-Preises p prod vom Sollwert p Soll. Der Produktions-Preis p prod ist gemäss ( 1 ) definiert. Der Sollwert p Soll wird null gewählt, womit eine Kostenminimierung resultiert. Mit dem Verhältnis obiger Gewichtungen kann der BENUTZER den Komfort vs. Energiekostenminimierung gezielt einstellen, siehe Abbildung 14. Für die Modellbildung sind einige gebäudespezifische Daten notwendig. Ähnlich wie bei der Heizkurve sind Angaben zum Wärmeverlust des Gebäudes notwendig (U-Wert x Fläche). Diese können entweder aus der Heizkurve bestimmt werden oder direkt aus den Auslegungsdaten berechnet werden (für Neubauten). Zusätzlich kommen dynamische Parameter (Masse x Wärmekapazität) dazu, welche die Zeitkonstante der Gebäudehülle, Wärmeabgabesystem und Pufferspeicher beschreiben. Diese Parameter sind bei Neubauten einigermassen bekannt, bei Altbauten müssen sie ausgemessen oder geschätzt werden (Erfahrungswerte). Die Bestimmung obiger Parameter ist mit einigem Aufwand verbunden (welcher wesentlich grösser ist als bei der Heizkurve). Allerdings müssen diese NICHT GENAU BEKANNT sein, da es sich um ein GEREGELTES System handelt (im Gegensatz zu rein Heizkurven-gesteuerten Systemen). Man könnte also auf Erfahrungswerte oder typische Werte für vordefinierte Gebäudetypen zurückgreifen. Dazu müsste allerdings eine entsprechende Datenbasis aufgebaut werden. Ob sich dieser Aufwand lohnt, wird der folgende Projektverlauf zeigen. In verschiedenen Forschungsprojekten [27] [28] wurden auch ADAPTIVE Systeme vorgeschlagen, welche die Gebäudeparameter während einem vorgegebenen Zeitraum aus den Messsignalen bestimmen. Diese Algorithmen sind jedoch sehr aufwändig und haben den Nachteil, dass sie erst nach einer gewissen Zeit (Wochen, Monate) brauchbare Gebäudeparameter liefern. Während dieser Zeit kann der Komfort im Gebäude nicht unbedingt gewährleistet werden. Auch hier müssten Erfahrungswerte als Startwerte genommen werden. 24/36

25 Bemerkung zur eigenen Wetterprognose: Bereits in früheren Forschungsprojekten [27] wurden verschiedene Modelle zur eigenen Wetterprognose untersucht. Für die Prognose der Aussentemperatur hat sich ein sehr einfacher Ansatz bewährt, welcher den Temperaturverlauf des Vortages um einen Offset verschiebt und auf den aktuellen Tag anwendet. Für die Strahlungswerte der Sonne ist dies aber wesentlich schwieriger. Aufgrund von Wolkenbildung und athmosphärischen Effekten entstehen starke Fluktuationen, welche nicht vorausgesagt werden können. Es wird wohl auch hier nur ein mittlerer Verlauf voraussagbar sein. Im Prinzip müsste die Information reichen, ob am Folgetag die Sonne scheint oder nicht, und es könnte der gemittelte Strahlungsverlauf der letzten Tage verwendet werden. Bemerkung zur externen Wetterprognose: Als Alternative bieten sich Meteodienste an (MeteoSchweiz, MeteoTest, MeteoMedia, etc.), welche Online-Wetterdaten liefern. Diese sind wesentlich genauer, aber kostenpflichtig. Da die Kosten heute noch relativ hoch sind, lohnt sich die Anwendung für einzelne Haushalte noch nicht. Dies kann sich in Zukunft aber ändern. Zudem können Hersteller die Meteodaten poolen und sie dem Einzelkunden günstig anbieten. Auch bei den professionellen Wetterprognosen sind die Voraussagen für die Sonnen-Strahlung jedoch mit Vorsicht zu geniessen, wie Erfahrungen im Projekt [6] gezeigt haben. Obige Ideen und Ansätze sollen im folgenden Projektverlauf weiter untersucht werden. ZUSAMMENFASSUNG DER REGELSTRUKTUREN UND ERSTE BEURTEILUNG Die bisher vorgestellten Regelstrukturen werden nun zusammengefasst und bezüglich ihres Potentials erstmalig beurteilt. Diese Beurteilung wurde aufgrund erster Simulationsresultate gemacht, ist aber noch NICHT definitiv und muss im folgenden Projektverlauf systematisch untersucht werden. Weitere Regelkonzepte werden folgen. Tabelle 3: Erste Bewertung der vorgestellten Regelkonzepte Regelstruktur Eigenverbrauchsoptimierung Komfort Raumtemperatur Justierung Einstellung vor Ort Umsetzung heute Potential Zukunft Heizkurven-Regelung mit Freigabe durch Zeitprogramm, OHNE Überwachung der Raumtemperatur Bei falscher Einstellung beeinträchtigt kann gezielt optimiert werden Gebäudespezifisch, Nachjustierung durch Benutzer notwendig In heutigen WP- Steuerungen programmierbar Begrenzt, da Komfort nicht garantiert werden kann Heizkurven-Regelung mit Freigabe durch Zeitprogramm, MIT Überwachung der Raumtemperatur Je nach Einstellung der Temperaturgrenzen Je nach Einstellung der Temperaturgrenzen Unproblematisch, da Komfort unabhängig von gewähltem Zeitprogramm garantiert. In heutigen WP- Steuerungen Raumtemperatur optional Begrenzt, da kein forciertes Einschalten der Wärmepumpe möglich Heizkurven-Regelung mit Freigabe durch PV- Leistungsgrenze, OH- NE Überwachung der Raumtemperatur Bei falscher Einstellung stark beeinträchtigt kann gezielt optimiert werden Gebäudespezifisch, Nachjustierung durch Benutzer notwendig WP über EW- Freigabe ansteuerbar, einfache Logik- Schaltung Leistungsbegrenzung nur sinnvoll, wenn ein Business Case besteht. Heizkurven-Regelung mit Freigabe durch PV- Leistungsgrenze, MIT Überwachung der Raumtemperatur Je nach Einstellung der Temperaturgrenzen Je nach Einstellung der Temperaturgrenzen Unproblematisch, da Komfort unabhängig von gewählter Leistungsgrenze garantiert. WP über EW- Freigabe ansteuerbar, einfache Logik- Schaltung Siehe Bemerkung oben. 25/36

26 Regelstruktur Eingenverbrauchsoptimierung Komfort Raumtemperatur Justierung Einstellung vor Ort Umsetzung heute Potential Zukunft Direkte Regelung mit PV-Leistungsgrenze (forciertes Einschalten), MIT Überwachung der Raumtemperatur Je nach Einstellung der Temperaturgrenzen Je nach Einstellung der Temperaturgrenzen Unproblematisch, da Komfort unabhängig von gewählter Leistungsgrenze garantiert. Standardmässig noch kein forciertes Einschalten der WP möglich In Zukunft forciertes Einschalten möglich, z.b. über SG- Ready- Schnittstelle Virtueller Preis mit direkter Regelung (forciertes Einschalten), MIT Überwachung der Raumtemperatur Lokaler Eigenverbrauch, COP und/oder Energiekosten optimierbar Raumtemperatur im Preismodell berücksichtigt Intuitive Einstellung über Preismodelle Standardmässig noch kein forciertes Ein/Ausschalten der WP möglich In Zukunft forciertes Einschalten möglich, z.b. über SG- Ready- Schnittstelle Virtueller Preis mit Beeinflussung der Heizkurve, MIT Überwachung der Raumtemperatur Begrenzt, da nur indirektes Einschalten der Wärmepumpe möglich Raumtemperatur im Preismodell berücksichtigt Intuitive Einstellung über Preismodelle Bei vorhandener Schnittstelle für den Sollwert möglich. Begrenzt, forciertes Einschalten ist effektiver Model Predictive Control (MPC) mit virtuellem Preis Optimal, mit Wahl der Gewichtungen einstellbar Mit Wahl der Gewichtungen einstellbar Zahlreiche Gebäudeparameter müssen eingestellt werden Auf heutigen Steuerungen nicht möglich Aufwändige Implementierung LÖSUNGEN AUF DEM MARKT Siemens Der Siemens Wärmepumpenregler unterstützt die SG-Ready-Funktionalität (Abbildung 23). In Ergänzung zur den bereits bekannten Funktionen EW-Sperre oder Niedertrarif, können bei der SG-Ready Funktionalität mit zwei digitalen Eingängen von Extern vier Zustände definiert werden. Die SG-Ready Funktionalität wird nur im Zusammenhang mit einem Trinkwasserspeicher oder Pufferspeicher wirksam (STASCH6). Die SG-Ready-Funktionalität führt nicht zu einem höheren Raumtemperatursollwert, und nutzt die Speicherfähigkeit des Gebäudes nicht aus. Abbildung 23: Auszug aus dem Bedienungshandbuch zum Siemens-Wärmepumpenregler RVS Zustand 1 - Abnahme Gesperrt: Gleiches Verhalten wie bei aktiver EW-Sperre. Die Wärmepumpe und sämtliche Elektroeinsätze sind gesperrt. Zustand 2 - Abnahme Frei: Normalbetrieb, keine Massnahmen. 26/36