Transient thermal comfort constraints for model predictive heating control

• Komfortgrenzen bei instationären Raumzuständen für eine modellprädiktive Heizungsregelung

Wolisz, Henryk Stefan; Müller, Dirk (Thesis advisor); Hensen, Jan (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center (2018, 2019)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center : EBC, Energy efficient buildings and indoor climate 64
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (xxii, 163 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Im Zuge der Energiewende wird die Koordination der fluktuierenden erneuerbaren Stromerzeugung mit dem überwiegend unelastischen Strombedarf immer schwieriger. Dadurch werden Energiespeicher und flexible Verbraucher immer bedeutender. 18 % des deutschen Endenergieverbrauchs dienen zur Beheizung von Wohngebäuden. Daher könnte der Einsatz von elektrischen Heizungssystemen in Verbindung mit intelligenten Steuerungen, welche die thermische Gebäudemasse als Speicher nutzen, zumindest im Winter Flexibilität beisteuern. Die Auswirkungen der resultierenden Temperaturschwankungen auf die thermische Behaglichkeit (TB) sind jedoch nicht eindeutig erforscht. Existierende Studien liefern widersprüchliche Ergebnisse und basieren oft auf Experimenten, die nicht repräsentativ für Lastverschiebung (LV) in Wohngebäuden sind. Des Weiteren sind vorhandene komplexe Ansätze der LV durch Gebäudemassenaktivierung (GMA) kaum in Wohngebäuden anwendbar, da hier günstige und unkomplizierte Lösungen benötigt werden, welche für diverse Gebäude einfach adaptiert werden können. In dieser Arbeit wird die TB diverser nicht linearer Temperaturverläufe im Bereich von 18-26 °C untersucht. Konditionen die bei GMA auftreten könnten, wurden dafür in einer Klimakammer reproduziert und durch 320 Probanden bei verschiedenen Aktivitäten und freier Bekleidungswahl bewertet. Es wurde festgestellt, dass die TB bei dynamischen Bedingungen nicht durch die Festlegung eines allgemeingültigen Temperaturbereichs und einer maximalen Temperaturänderungsrate gewährleistet werden kann. Auch ist die konventionelle Herleitung der Akzeptanz bei dynamischen Bedingungen nicht zuverlässig, da Effekte von Anpassung und Allästhesie die Wahrnehmung thermischer Bedingungen von den aktuellen physischen Gegebenheiten abkoppeln. Die vorliegende Studie erarbeitet daher speziell für die GMA in Wohngebäuden angepasste Komfortgrenzen. Temperaturschwankungen zwischen 19 und 25 °C, sowie Temperaturänderungsraten von 1 bis 3 K/h sind akzeptabel, solange das jeweilige Aktivitätslevel der Probanden und die Richtung der Temperaturänderung berücksichtigt werden. Die durchschnittlich gewünschte thermische Wahrnehmung war stets ’etwas warm’. Entsprechend ergab sich auch ein unsymmetrisches Komfortintervall, das Temperaturerhöhungen um 2 K und Senkungen um 1 K ermöglicht. Zur Untersuchung der Auswirkung dynamischer Komfortgrenzen auf die GMA in Wohngebäuden wurde ein modellprädiktiver (MP) Steuerungsalgorithmus entwickelt, welcher zur LV die Heizung dynamisch regelt. Der selbstlernende Algorithmus benötigt weder umfangreiche Messdaten noch Kenntnis der Bauart des Gebäudes. Der Heizungsbetrieb wird unter Berücksichtigung eines dynamischen Primärenergiefaktors und dynamischer Komfortgrenzen optimiert. Das der Steuerung zugrundeliegende Black-Box Modell kann die Temperatur der betrachteten Zone mit ausreichender Präzision vorhersagen um die MP Regelung zu ermöglichen. Basierend auf diesem Modell kann der Algorithmus die GMA erfolgreich zur LV nutzen. Für das betrachtete exemplarische Energiesystem wurden Primärenergieeinsparungen von 3-7 % erreicht, während die TB beibehalten oder verbessert wurde. Der geringe Rechenaufwand der konzipierten Steuerung ermöglicht den Betrieb auf einfachen und günstigen Kleinstcomputern wie dem Raspberry Pi 3.

Einrichtungen

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