Heute hier (auslegen), morgen dort (betreiben): Integriertes Design von Wärmepumpensystemen

Abstract

Die Defossilisierung der Gebäudeenergieversorgung durch die Integration erneuerbarer Energiequellen erfordert eine ganzheitliche Betrachtung der Versorgungssysteme, um deren Einbindung zuverlässig bewerten zu können. Zur zuverlässigen Bewertung und maximalen Ausschöpfung des ökologischen und ökonomischen Einsparpotentials der vornehmlich volatilen Energiequellen, ist es notwendig, die Systemdynamik im Betrieb in den Auslegungsschritt zu integrieren. Der Betrieb hängt sowohl von der Auslegung (Design-Domäne) des Prozesses, als auch von den transienten Randbedingungen, technischen Beschränkungen und Komfortbedingungen (Betriebs-Domäne) ab. Da beide Domänen inhärent voneinander abhängig sind, resultieren aus der gleichzeitigen Betrachtung komplexe Entscheidungen, die im Auslegungsprozess zur Optimierung multipler Metriken integriert getroffen werden müssen.
In dieser Arbeit wird ein Auslegungsoptimierer vorgestellt, der den Betrieb im Auslegungsschritt des Gesamtsystems berücksichtigt. Als Anwendungsfall wird die Versorgung eines Einfamilienhauses mit monoenergetisch bivalenten Luft-Wasser-Wärmepumpensystemen mit Heizstab und zwei thermischen Speichern genutzt. Als Zielfunktionen dienen annualisierte Kosten und Emissionen, als Nebenbedingung der thermische Nutzerkomfort. Um transiente Randbedingungen in der Optimierung berücksichtigen zu können, wird das Optimierungsproblem zweistufig gelöst: Auf der ersten Stufe („heute hier“) wird das integrierte Design von Kältemittel, Kreisprozess und Wärmepumpensystem mit Hilfe eines surrogat-basierten Optimierers bestimmt. Auf der zweiten Stufe wird der Betrieb („morgen dort“: PI- oder Modell-Prädiktiver Regler) unter typischen Einsatzgrenzen mit einem genetischen Algorithmus optimiert. Durch die gleichzeitige Betrachtung von Kältemittel, Prozess und Regelung kann nachgewiesen werden, dass das integrierte Design bei Einhaltung des Nutzerkomforts 36 % Kosten und 51 % Emissionen senken kann. Diese Potentialsteigerung, welche auf die optimale Reglerparametrierung und die größeren Betriebsgrenzen der Wärmepumpe zurückzuführen ist, wird in Folgearbeiten experimentell validiert.