Development of exergy-based control strategies for building energy systems

• Entwicklung von exergiebasierten Regelungsstrategien für Gebäudeenergiesysteme

Sangi, Roozbeh; Müller, Dirk (Thesis advisor); Tsatsaronis, Georgios (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2018)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center : EBC, Energy efficient buildings and indoor climate 55
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (xxix, 148 Seiten) : Illustrationen, Diagrammen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Die fortschreitende Entwicklung von energieeffizienten Komponenten und komplexen Energiekonzepten im Gebäude, hat den Bedarf an fortschrittlicheren Regelungsstrategien erhöht. Im Gegensatz zu den meisten neuen Regelungsstrategien, die zum Zwecke der Energieeffizienz entwickelt wurden, schlägt die vorliegende Untersuchung die Anwendung der Exergie vor. Exergie ist die maximal verfügbare Leistung, die aus einem System zur Kontrolle der Energiesysteme gewonnen werden kann. Das wesentliche Ziel der Untersuchung besteht darin, eine exergiebasierte Regelungsstrategie für Gebäudeenergiesysteme zu entwickeln. Die Regelungsstrategie soll ein Gebäudeenergiesystem dergestalt regulieren, dass der maximale exergieeffiziente Betrieb des Systems erreicht wird. Die Arbeit untersucht die Aussagekraft der aufgestellten Ansätze. Zunächst wird dargestellt, welche Energiesysteme exergetisch gesteuert werden können und über welche Eigenschaften und Besonderheiten ein Energiesystem verfügen muss, um sich für die Umsetzung einer exergiebasierten Regelungsstrategie qualifizieren zu können. Anschließend werden die Herausforderungen, die mit der Anwendung des theoretischen Konzepts der Exergie auf die praktische Steuerung der Energiesysteme einhergehen dargestellt und Methodologien und Lösungsansätze vorgeschlagen. Eine Referenzumgebung für Exergie im Kontext von Steuerungsanwendungen wird ausgewählt. Ferner wird beschrieben, wie die Exergievernichtung und Effizienz des Systems erzielt werden. Zudem werden für die praktische Umsetzung des entwickelten exergiebasierten Algorithmus in einem Gebäudeenergiesystem geeignete Regelungstechniken vorgeschlagen, und deren Vor- und Nachteile eingehend diskutiert. Um den Ertrag der exergiebasierten Regelungsstrategie zu evaluieren, nutzt die Arbeit den Software-in-the-Loop Ansatz. Dieser verwendet einen Anwendungsfall, der sowohl durch eine Referenzsteuerung als auch durch eine exergiebasierte Regelung unter denselben Umständen gesteuert wird. Ferner ist ein Medien-Modell entwickelt worden, das in der Lage ist, die für die dynamische Exergieanalyse erforderlichen thermodynamischen Systemzustände zu berechnen. Zudem wird ein Exergieanalyse-Tool entwickelt, um eine dynamische Exergieanalyse systematisch durchzuführen. Um die Rolle der Exergie von derjenigen der Regelungstechnik im Hinblick auf die Reduzierung des Energieverbrauchs zu unterscheiden, wird eine energiebasierte Regelungsstrategie definiert und in einer Fallstudie praktisch angewendet, wobei dieselben Regelungsansätze, die in der exergiebasierten Regelungsstrategie angewandt wurden, in Anspruch genommen werden. Zusätzlich zu der konventionellen Bewertung des Strombedarfs wird der Exergieinhalt des Netzstroms auch global evaluiert, um den Primärenergieverbrauch zu reduzieren. Die Untersuchung zeigt, dass die exergiebasierte Regelungsstrategie imstande ist, die Exergievernichtung und den Energieverbrauch zu reduzieren, während die Raumlufttemperatur auf dem gleichen Niveau der Referenzstudie beibehalten wird. Allerdings hängt das Ausmaß der Verbesserung von den angewandten Regelungseigenschaften ab. Schließlich wird die Funktionstüchtigkeit der entwickelten exergiebasierten Regelungsstrategie durch deren praktische Umsetzung im Hauptgebäude des E.ON Energy Research Centers Aachen aufgezeigt.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik [419510]
• E.ON Energy Research Center [080052]