Fachverband Gebäude-Klima e. V.

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1 Fachverband Gebäude-Klima e. V. Verwendung exergiebasierter Methoden für die Entwicklung eines neuartigen Regelungsansatzes in der Lüftungs- und Klimatechnik, wissenschaftlicher Mitarbeiter RWTH Aachen, Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik Berlin, 14./15. April 2016 Exergiebasierte Regelung, 1

2 Verwendung exergiebasierter Methoden für die Entwicklung eines neuartigen Regelungsansatzes in der Lüftungs- und Klimatechnik Gliederung Übersicht über Exergieanalysen Problemstellung Lösungsansatz Praktische Anwendung Forschungsaktivitäten Exergiebasierte Regelung, 2

3 Vorstellung des Forschungsprojekts Exergiebasierte Regelung Leitfrage: (Wie) ist eine energieeffiziente Regelung bestehender Gebäudeenergiesysteme mit Hilfe exergiebasierter Methoden möglich? To Q P Q T u Exergiebasierte Regelung, 3

4 Exergie Zur Berechnung und Bewertung der realen thermodynamischen Verluste ist es notwendig, nicht nur die Menge der auftretenden Energieströme, sondern auch deren Qualität zu berücksichtigen, die in der Thermodynamik mit Hilfe der Exergie zum Ausdruck gebracht wird. Exergiebasierte Regelung, 4

5 Vergleich exergiebasierter Methoden Exergieanalyse Wo treten reale thermodynamische Verluste im Prozess auf? Wie groß sind diese Verluste und wodurch werden sie verursacht? Erweiterte Exergieanalyse Wie groß sind die gegenseitigen Abhängigkeiten der verschiedenen Anlagenkomponenten voneinander? Wie können die vermeidbaren und unvermeidbaren Verluste und Kosten identifiziert werden? Exergoökonomische Analyse Wie groß sind die Kosten, die mit den thermodynamischen Verlusten verbunden sind? Exergiebasierte Regelung, 5

6 Kontinuierliche Betriebsoptimierung Dynamische Randbedingungen Schnelle, ständig aktualisierte Optimierung Teilsystemoptimierung Exergiebasierte Regelung, 6

7 Exergiebilanz in Teilsystemen E VV E VV E VV E zz E V E S E aa E S E V E aa E V E S E aa Erzeugung Speicherung, Verteilung Übergabe Nutzen Exergiebasierte Regelung, 7

8 Teilsystemoptimierung W 0,3 0,1 kg/s, C 40 % Erzeugung Speicherung, Verteilung Nutzen Massenstrom, Vorlauftemperatur 0,3 kg/s, 35 C 0,3 kg/s, 40 C 0,1 kg/s, 35 C 0,1 kg/s, 40 C Übergabe Exergievernichtung 300 W 350 W 450 W 400 W Massenstrom, Rücklauftemperatur 0,3 kg/s, 31 C 0,3 kg/s, 36 C 0,1 kg/s, 28 C 0,1 kg/s, 36 C Ventilatorleistung 40 % 45 % 60 % 65 % Exergiebasierte Regelung, 8

9 Implementierung Modell Regelalgorithmus Monitoring, Control and Interface System (MCIS) Regelstrecke Teilsystem Teilsystem Exergiebasierte Regelung, 9

10 Testmodell: Software-in-The-Loop Referenzregelung M Wärmequelle PI T R,1 Raum 1 M Wärmepumpe M T R,2 Raum 2 Außenluft T R,3 E ee Raum 3 PI Kessel E ggg PI Exergiebasierte Regelung, 10

11 Testmodell: Software-in-The-Loop BExMoC Algorithmus M Wärmequelle T R,1 Raum 1 M Wärmepumpe M T R,2 Raum 2 Außenluft T R,3 E ee Raum 3 E ggg Kessel BExMoC Exergiebasierte Regelung, 11

12 Testmodell: Software-in-The-Loop SimEx Algorithmus M Wärmequelle PI T R,1 Raum 1 M Wärmepumpe M T R,2 Raum 2 Außenluft T R,3 E ee Raum 3 Kessel PI SimEx E ggg PI Exergiebasierte Regelung, 12

13 Randbedingungen Außenluftzustand und interne Wärmegewinne Wärmestrom in W Temperatur in C Außenlufttemperatur Zeit in Tagen Interner Wärmegewinn Zeit in Tagen Exergiebasierte Regelung, 13

14 BExMoC: Raumtemperaturverlauf Vergleich der drei Räume 23 Raum 1 Raum 2 Raum 3 Temperatur in C Zeit in Tagen Exergiebasierte Regelung, 14

15 Vergleich: Raumtemperaturverlauf Vergleich der Regelungen Temperatur in C BExMoC SimEx Referenz Zeit in Tagen Exergiebasierte Regelung, 15

16 Vergleich: KPIs Endenergie und Standardabweichung bzgl. Temperatursollwert BExMoC SimEx Referenz Standardabweichung K 0,64 0,85 0,11 Endenergie Wärmepumpe kwh 199,28 118,30 241,20 Enden. Kessel kwh 0,00 27,51 8,34 Enden. gesamt kwh 199,28 145,81 249,54 Einsparung bzgl. Referenz % -20,14-41,57 - SSaadaaaaaa. = t 1 1 T T 2 t 1 t ssss 0 t 0 Exergiebasierte Regelung, 16

17 Exergie vs. Exergoökonomie E VV E VV E VV E zz E aa E aa E aa Erzeugung Speicherung, Verteilung Übergabe Nutzen Exergiebasierte Regelung, 17

18 Exergie vs. Exergoökonomie Exergiebasierte Regelung, 18

19 Exergie vs. Exergoökonomie Exergievernichtung in W Exergievernichtung Monetärer Wert der Exergievernichtung Zeitraum: 02.Feb.2015 Zeit in Stunden Die Exergievernichtung steigt. Die Kosten der Exergievernichtung sinken. Monetärer Wert der Exergievernichtung in EUR pro Stunde Die Exergievernichtungen sind vergleichbar. Ihre Kosten sind unterschiedlich. Exergiebasierte Regelung, 19

20 Fazit und Ausblick Exergie Werkzeug für die objektive Bewertung von Gebäudeenergiesystemen Basis für einen allgemein anwendbaren Regelungsalgorithmus Voruntersuchungen des exergiebasierten Algorithmus Gutes Regelverhalten und Endenergieeinsparung Mithilfe ingenieurtechnischer Überlegungen kann die Regelung noch weiter verbessert werden Einbezug von Kosten über die exergoökonomische Analyse möglich Exergiebasierte Regelung, 20

21 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Wir danken für die finanzielle Unterstützung durch das BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie), Fördernummer 03ET1218A.