PROJEKTVORSTELLUNG SMARTE GEBÄUDEAUTOMATISIERUNG SmartMSR intelliee-home Michaela KILLIAN Martin KOZEK 17. Oktober 2016 1 / 14
Motivation: smarte Gebäudeautomatisierung Gebäudesektor verbraucht Großteil der Gesamtenergie eines Landes: Verbrauch in den USA 49 % Europa 40 % den VAE 70 % http://www.rockwool.com/ http://www.ea-etics.eu Enerdata 2006 2 / 14
Motivation: smarte Gebäudeautomatisierung Gebäudesektor verbraucht Großteil der Gesamtenergie eines Landes: Verbrauch in den USA 49 % Europa 40 % den VAE 70 % http://www.rockwool.com/ Für gewöhnliche Regelungen (ohne Prädiktion) http://www.ea-etics.eu Enerdata 2006 3 / 14
Projektziele Optimierungsziele: Energieverbrauch (Heiz/Kühlleistung) minimieren NutzerInnen-Komfort maximieren Energieverbrauch kostenminimal ( ) o Nutzung alternativer Energiequellen (Geothermie, Free Cooling) Gebäude Energiebereitstellung Anforderung Lieferung Gebäude Energiebedarf Energielieferung Strom Strom Fernwärme Geothermie Zeit Anforderung Lieferung Energiebedarf Zeit Kostenoptimum Komfortoptimum Abb. 1: Gegenüberstellung der kontroversen Optimierungsziele. 4 / 14
Projektziele Optimierungsziele: Energieverbrauch (Heiz/Kühlleistung) minimieren NutzerInnen-Komfort maximieren Energieverbrauch kostenminimal ( ) o Nutzung alternativer Energiequellen (Geothermie, Free Cooling) Wissenschaftliche Herausforderungen: Gebäude Anforderung Gebäude Energiebereitstellung Lieferung Energiebedarf Nichtlineares dynamisches komplexes MIMO-System Redundante Stellgrößen mit großen Zeitkonstanten Energielieferung Kontroverse Optimierungsziele Strom Strom Fernwärme Geothermie Zeit Ziele des Industriepartners: Anforderung Lieferung Entwicklung einer flexiblen Toolchain Kostenoptimum Rasche Inbetriebnahme muss möglich sein Abb. 1: Gegenüberstellung der kontroversen Optimierungsziele. Modularer Aufbau des Konzeptes Energiebedarf Zeit Komfortoptimum 5 / 14
Stand der Technik EN 15232:2012 Gebäude wird nur stationär betrachtet keinerlei prädiktive Elemente BEMS user comfort MPC-Konzepte state-of-the-art: Bis jetzt nur Prototypen implementiert Keine generalisierte Lösung für Bürogebäude Jedes Modell ist auf das spezielle Gebäude zu geschneidert Prototypen: bis jetzt nur lineare MPCs (SmartMSR hingegen nichtlinear) Home Automationsbereich keine MPCs SmartMSR: entkoppelte Regelungsebenen (BEMS & user level) Flexibilität (spezielle Regelungsstruktur: Teilung in Zonen) nichtlinearer MPC seit Oktober 2015 in evon Software 6 / 14
Methode: Modellierung Gebäude ist nichtlineares dynamisches System: schnelle & langsame Dynamik, innere Kopplungen Herausforderungen: Dynamisches Modell niedriger Ordnung Messdaten als Grundlage Anwendbarkeit muss universell sein Einteilung der Gebäudezonen (Himmelsrichtungen & Versorgungsstränge) und Illustration der Kopplungszone. 7 / 14
Methode: Modellierung Gebäude ist nichtlineares dynamisches System: schnelle & langsame Dynamik, innere Kopplungen Herausforderungen: Dynamisches Modell niedriger Ordnung Messdaten als Grundlage Anwendbarkeit muss universell sein gewählter Modellierungsansatz: datengetriebenes Black-Box Modell (Eingangs-/Ausgangsdaten) Partitionierungsraum (x 1,x 2 ): größte Nichtlinearität (Expertenwissen/Datenanalyse) Einteilung der Gebäudezonen (Himmelsrichtungen & Versorgungsstränge) und Illustration der Kopplungszone. Teilungen achsenorthogonal Anzahl der LLMs ist fixiert 8 / 14
Methode: Hierarchische MPCs Störgrößen ϑ ref CFMPC MI-MPC ϑ act - Gebäudemodell Versorgungsmodell hierarchische MPCs Entkoppelte Optimierungsziele unter bestimmten Beschränkungen: Das Gebäude selbst inklusive aller Störungen o Regelung auf NutzerInnen-Komfort (Temperatur-Regelung) Die Versorgungsebene (technische Ebene) o Regelung auf monetäre Energiekosten (Fernwärme vs. Wärmepumpe etc.). 9 / 14
Projektresultate Resultate für Industriepartner evon: Entwicklung einer flexiblen Toolchain Rasche Inbetriebnahme wurde umgesetzt Modularer Aufbau des Konzeptes Umschaltung zwischen Bestand und neuem Konzept war stoßfrei Wissenschaftliche Resultate: 9 Journal papers (SCI) 7 conference papers (international) 1 Nachfolgeprojekt mit evon 3 Preise für Dissertation o Lions-Sonderpreis 2016 o Resselpreis der TU Wien 2016 o Award of Excellence 2016 - Staatspreis für die besten Dissertationen Diverse Artikel in der Presse, Falter, einschlägigen Fachzeitschriften 10 / 14
Zusammenfassung SmartMSR Originalität Entwicklung eines flexiblen/effektiven Fuzzy black-box Modells Entwicklung des kooperativen Fuzzy MPCs (CFMPC): o Theorie neu entwickelt o Stabilität bewiesen o Konvergenz der Iterationsschleife bewiesen o allgemein gültig (auch instabile bzw. schwingungsfähige Systeme) Innovation Nutzen für Industriepartner: o zusätzliche Flexibilität für Gebäuderegelung (Hinzufügen von neuen Gebäudezonen, Hierarchie) o rasche Implementierung (Toolchain) o Wettbewerbsvorteil: CFMPC ist Alleinstellungsmerkmal Nachfolgeprojekte o intelliee-home (mit evon), ab 2021: -150.000t CO 2,eq /GWh 11 / 14
Nachfolgeprojekt: intelliee-home Laufzeit: 01.01.2016 30.06.2018 Grundidee: Mittels SmartPhone/Tablet als User- Endgerät kann der/die NutzerIn für eine individuelle Bewirtschaftung des Eigenheims nicht nur vor Ort sorgen. Quelle: http://www.aics-embedded.com/smarthome Integration von: Home Entertainment Storen, Lichtsteuerung Sicherheit Energiesysteme (Speicher, Solarthermie, Photovoltaik, etc) Haushaltsgeräte Prädiktionen (Strahlung, Wetter, Belegung) Thermischer Komfort Smart-Grid Anbindung 12 / 14
Abgrenzungen SmartMSR: - Modellierungsaufwand extrem hoch - Modell ist individuell für 1 Gebäude über Jahre optimiert - Bürogebäude (andere Anforderungen als Einfamilienhaus) intelliee-home: - plug-and-play - Parametrierung durch Schnittstelle - automatische Kommunikation - Einfamilienhaus (smartes wohnen) - Anbindung in Smart-Grids - Kommunikation Haushaltsgeräte - Einbindung von Photovoltaik (Smart-Grid) 13 / 14
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. techn. Michaela KILLIAN Technische Universität Wien Getreidemarkt 9/E325-A5 1060 Wien michaela.killian@tuwien.ac.at +43-1-58801-325522 14 / 14