Masterarbeit Juan Moreno

 

Implementation of an exergy-based control strategy in a building automation system

Der Gebäudesektor ist für mehr als 40% des weltweiten Endenergieverbrauchs verantwortlich. Die Effizienzverbesserung von Gebäudeenergiesystemen durch Regelungsstrategien spielt daher eine wichtige Rolle auf dem Weg hin zu einem nachhaltigeren Energiesystem. Das Hauptziel dieser Masterarbeit ist die Implementierung eines bereits vorhandenen modellprädiktiven exergiebasierten Regelungsalgorithmus (BExMoC – „Building Exergy-based Model Predictive Control Algorithm“) in einem Gebäudeautomationssystem. Betrachtet wird das E.ON ERC Hauptgebäude, das mit einem komplexen Energieversorgungssystem und einem Monitoring, Control and Interface System (MCIS) ausgestattet ist.

Aufgrund der Komplexität des Gebäudeenergiesystems wird eine von zwölf Versorgungsketten für die Implementierung ausgewählt. Im ersten Schritt werden die mit Modelica modellierten Modelle der Niedertemperaturwärme- und Kälteversorgung des E.ON ERC Hauptgebäudes verbessert. In dieser Phase der Arbeit wird ein Optimierungswerkzeug verwendet, um die Modellparameter abzuschätzen, falls sie nicht verfügbar sind oder nicht gemessen werden können. Mit diesem Ansatz werden zuverlässige Parameter ermittelt. Die Modelle werden mithilfe von Monitoringdaten validiert. Vor dem Beginn dieser Arbeit wurde der BExMoC Algorithmus am Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik für einen bestimmten Anwendungsfall entwickelt und getestet. Deswegen wird im nächsten Schritt dieser Algorithmus weiterentwickelt und verallgemeinert.

Vor der Implementierung wird der Algorithmus mittels eines Software-in-the-loop Experiments und des verbesserten Gebäudemodells überprüft. Die Leistungsfähigkeit des Algorithmus wird mit einem konventionell geregelten Referenzmodell verglichen. Das große Potenzial des Algorithmus hinsichtlich der Energieverbraucheinsparung wird in diesen Experimenten offensichtlich. Einsparungen über 20% können erreicht werden. Die BExMoC-Regelqualität überschreitet jedoch nicht den Referenzfall.

Nach der theoretischen Erprobung wird die Implementierung des Regelungsalgorithmus in der ausgewählten geschlossenen Versorgungskette der Niedertemperaturwärmeversorgung des E.ON ERC Hauptgebäudes durchgeführt. Bei der Untersuchung werden zwei verschiedene Szenarien berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Algorithmus durch die Minimierung der Exergievernichtung und Verluste in der Lage ist, plausible Aktorsollwerte auszuwählen und die Regelungsaufgabe zu erfüllen.