Demand-Side-Management with heat pumps for single family houses

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1 Demand-Side-Management with heat pumps for single family houses M.Sc. Young Jae Yu Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP), Gottschalkstraße 28a, Kassel, Deutschland youngjae.yu@ibp.fraunhofer.de Stichworte Wärmepumpe, Lastmanagement, Fußbodenheizung, Wärmepumpenregelung 1. Einleitung Die Bundesregierung strebt in ihrem Energiekonzept einen Anteil von 80% Erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch für das Jahr 2050 an [1]. Dieser Prozess der Umsetzung stellt vor allem auf Basis von Photovoltaik- und Windkraftanalgen eine neue Herausforderung für das Energiesystem auf nationaler und lokaler Ebene dar. Photovoltaik- und Windkraftanlagen speisen die elektrische Energie unabhängig vom Bedarf ins Stromnetz ein. Die Stromerzeugung dieser Anlagen ist dabei im Wesentlichen von den aktuellen Wetterbedingungen abhängig. Somit kann die Leistung von Photovoltaik- und Windkraftanalgen nur sehr schwer bis gar nicht angepasst werden. Diese fluktuierende Erzeugungscharakteristik führt zu unvermeidlichen Schwankungen in den bestehenden Stromnetzen. Im schlimmsten Fall können diese einen großen Schaden, z.b. einen Blackout, mit sich führen. Das Problem lässt sich lösen, indem die Stromnachfrage stärker mit der Stromerzeugung gekoppelt wird. Um dies zu ermöglichen, soll eine erhöhte Flexibilität des elektrischen Bedarfs durch steuerbare Verbraucher und Speicher mittels Lastmanagement erreicht werden. Vor diesem Hintergrund liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Untersuchung des thermischen Lastverschiebungspotenzials eines Einfamilienhauses mittels einer stromgeführten Wärmepumpenregelung in Kombination mit einer Fußbodenheizung. Hierbei wird mit Hilfe der thermischen Speicherkapazität der Gebäudemasse eine zeitliche Flexibilität erreicht und zur Verfügung gestellt, wodurch der Wärmepumpenbetrieb an das Stromangebot angepasst werden kann. Hierfür wird eine Wärmepumpenregelstrategie entwickelt, die das thermische Verhalten von Gebäudespeichermasse sowie dynamischen Stromtarifstruktur unter Verwendung von Wetterprognosen sowie der Day-ahead- Strompreisvorgaben im Vorfeld berücksichtigt. Für diese Untersuchung werden das lokale

2 Stromerzeugungs- und Lastprofil sowie die Wetterdaten von der Stadt Wolfhagen als Beispielkommune zugrunde gelegt. 2. Randbedingungen für die Simulation Für die vorliegende Untersuchung werden das Gebäude- und Anlagentechnikmodell in der dynamischen Simulationsumgebung TRNSYS [2] abgebildet. Diese ermöglicht durch ihre Modularität die Integration verschiedener Rechenmodelle für Anlagenkomponenten der technischen Gebäudeausrüstung. 2.1 Gebäude- und Wärmepumpenmodell Die Untersuchung wird an einem freistehenden Einfamilienhaus durchgeführt, das ein typisches Einfamilienhaus repräsentiert. Das Gebäudemodell mit einer beheizten Wohnfläche von 254 m² ist in Massivbauweise gestaltet und unterkellert. Der Heizwärmebedarf des Gebäudes wird durch eine Sole-Wasser Wärmepumpe bereitgestellt. Hierbei erfolgt die Wärmeabgabe an den Raum über eine Fußbodenheizung, die als thermischer Speicher fungiert. Das Wärmepumpenmodell beruht auf einer Herstellerkennlinie [3], wobei die Betriebspunkte des Wärmepumpenmodells durch die Soletemperatur und Vorlauftemperatur des Heizkreises definiert werden. 2.2 Stromprofil und Wetterdaten In Vorbereitung dieser Arbeit wurde für eine kleine Kommune in Nordhessen, die hier als Beispielkommune dient, eine einjährige Zeitreihe von Stromüberschüssen erstellt, wie sie nach der Errichtung des geplanten Windparks (10 MW) beim gegenwärtigen Stand des Photovoltaikausbaus zu erwarten ist [4]. Für die Erstellung des Stromprofils wird davon ausgegangen, dass der Strombedarf in der Kommune in der Jahresbilanz durch Erneuerbare Energien (PV- und Windkraftalagen) abgedeckt wird. Auf dieser Basis wird ein vereinfachtes Strompreismodell mit zwei unterschiedlichen Preisstufen -teuer und günstig- ermittelt. Wenn die Einspeisung aus Erneuerbaren Energien größer ist als der Verbrauch, kann davon ausgegangen werden, dass die erzeugte Strommenge mit niedrigen oder gar negativen Preisen an der Börse verkauft wird. Im Gegensatz dazu kommt ein höherer Preis zustande, wenn der Stromverbrauch über die Einspeisemenge hinausgeht.

3 3. Wärmepumpenregelung In dieser Arbeit werden fünf verschiedene Ansätze für die Wärmepumpenregelung unter Verwendung der (MBPC)-Theorie [5] untersucht, wobei die außentemperaturgeführte Regelung als Standardregelung dient. Zentrale Elemente dieser Wärmepumpenregelstrategie sind zum einen Wärmebedarfsprognosen des Gebäudes auf Basis von Wetterprognosen und zum anderen Strompreisprognosen, die per Day-ahead ermittelt werden. Zu Beginn eines jeden Prognoseintervalls berechnet der Regler mittels eines physikalischen Gebäudemodells in Verbindung mit Wetterprognosen den Wärmebedarf, der in einem vorgegebenen Intervall zur Wärmebereitstellung benötigt wird. Anschließend ermittelt der Regler mittels Strompreisprognosen die verfügbare Laufzeit bzw. Wärmeleistung der Wärmepumpe mit niedrigem Strompreis zur Deckung des ermittelten Wärmebedarfs. Reicht die verfügbare Leistung der Wärmepumpe mit niedrigen Strompreisen zur Deckung des ermittelten Wärmebedarfs aus, so wird die Wärmepumpe gezielt bei niedrigem Strompreis eingeschaltet. Hierbei werden die Einflussgrößen der unterschiedlichen Intervalllänge der Prognose auf das thermische Verhalten und den Energieverbrauch des Gebäudes ausgewertet. In Variante 5 wird eine optimale Intervalllänge der Prognose ausgewählt, die die Nutzung von erneuerbarem Überschussstrom erhöht und gleichzeitig die Temperaturschwankung beim Be- und Entladen reduziert. Die wichtigsten Parameter der jeweiligen Regelstrategien sind in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1. Regelungsvariante. Variante Regelung Regelparameter Referenzmodell Standard Regelung Außenlufttemperatur Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Variante 5 mit 24 Stunden-Intervallen mit 12 Stunden-Intervallen mit 8 Stunden-Intervallen mit 6 Stunden-Intervallen mit variablen Intervallen

4 4. Ergebnisse Der Fokus dieser Untersuchung liegt auf der Bewertung der oben beschriebenen Wärmepumpenregelstrategien unter Berücksichtigung der folgenden zwei Gesichtspunkte: Anteil der Nutzung von erneuerbarem Überschussstrom mittels der Model Based Predictive Control (MBPC)-Theorie Auswirkung der Lastverschiebung mittels (MBPC)- Theorie auf das thermische Verhalten des Gebäudes bzw. Temperaturverläufe zwischen Be- und Entladen der Gebäudespeichermasse Zur Bewertung der Nutzung von erneuerbarem Überschussstrom beim Wärmepumpenbetrieb wird die primärenergetische Jahresarbeitszahl (pjaz) zugrunde gelegt, wobei die verwendete elektrische Hilfsenergie aus erneuerbaren Energiequellen von der gesamten Hilfsenergie abgezogen wird. Diese Kennzahl ermöglicht vergleichbare Aussagen zur energetischen Effizienz der Wärmepumpe unter vorgegebenen Randbedingungen mit einer durch Erneuerbare Energien stark geprägten Stromversorgungstruktur. Neben der energetischen Effizienz der Wärmepumpe wird die Auswirkung der Lastverschiebung auf das thermische Verhalten des Gebäudes durch die Raumtemperaturverläufe im Gebäude ausgewertet. In Bild 1 werden die Ergebnisse der Simulationsrechnungen dargestellt. Gegenübergestellt sind einerseits die Ergebnisse für die Energieeffizienz der unterschiedlichen Regelungsvarianten unter Betrachtung der Jahresarbeitszahl und der primärenergetischen Jahresarbeitszahl sowie andererseits die Raumtemperaturschwankungen der einzelnen Varianten. Hier ist zu erkennen, dass der Einsatz der (MBPC)-Theorie die Nutzung von erneuerbarem Überschussstrom beim Wärmepumpenbetrieb im Vergleich zu dem Referenzmodell signifikant erhöht. Außerdem zeigen die Ergebnisse der Simulationsrechnungen deutlich, dass die längeren Prognoseintervalle einen flexiblen Betrieb der Wärmepumpe ermöglichen, der den Anteil von erneuerbarem Überschussstrom an dem elektrischen Hilfsenergieverbrauch erhöht. Der Grund liegt im Wesentlichen in der hohen zeitlichen Lastverschiebung der Wärmebedarfsdeckung durch die Wärmepumpe. Dies destabilisiert jedoch signifikant die Raumtemperatur beim Be- und Entladen der Gebäudespeichermasse. Andererseits sinkt der Effekt der thermischen Lastverschiebung mit kleiner werdendem Prognoseintervall. Dies begrenzt einerseits die Nutzung von erneuerbarem Überschussstrom an dem elektrischen Hilfsenergieverbrauch der

5 Wärmepumpe (Bild 1 links), andererseits reduziert sich die Raumtemperaturschwankung beim Be- und Entladen der Gebäudespeichermasse (Bild 1 rechts). Analog zu den Varianten mit den kürzeren Prognoseintervallen (Variante 3, 4) ist zu erkennen, dass der Einsatz von variablen Prognoseintervallen (Variante 5) den Anteil von erneuerbarem Überschussstrom deutlich erhöht, ohne dass die Raumtemperatur dadurch signifikant destabilisiert wird. / : Maximum / Minimum obere und untere Linie : 5 / 95 Prozent obere und untere Kante der Kästen : 25 / 75 Prozent Bild 1. Jahresarbeitszahl (JAZ), primärenergetische Jahresarbeitszahl (pjaz) und Anteil von Überschussstrom (links) und operative Raumtemperaturschwankung während des Wärmepumpenbetriebs (rechts). Literaturverzeichnis [1] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Energiekonzept für eine umweltschönende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung [2] Solar Energy Laboratory TRNSYS, University of Wisconsin-Madison, A transient simulation program, TRNSYS 16 reference Manual [3] VIESSMANN, Planungsanleitung, VITOCAL 300-G [4] Kai M., et al., Integrating Renewable Energy Generation through Demand Side Management. 9 th Nordic Symposium on Building Physics [5] M. Bianchi et al., Pulsbreitenmodulation für Kleinwärmepumpenanlagen (Phase1-4), (Schweiz) 2005.