@phdthesis{Schmelas2017,
  author    = {Schmelas, Martin},
  title     = {Entwicklung und Evaluierung eines adaptiv-pr{\"a}diktiven Algorithmus f{\"u}r thermoaktive Bauteilsysteme},
  doi       = {10.6094/UNIFR/13892},
  url       = {https://freidok.uni-freiburg.de/data/13892},
  institution = {Zentrale Einrichtungen},
  school    = {Hochschule Offenburg},
  pages     = {165},
  year      = {2017},
  abstract  = {Der Geb{\"a}udesektor ist einer der Hauptverbraucher von Energie und somit mitverantwortlich f{\"u}r einen wesentlichen Anteil an CO2-Emissionen. Heiz- und K{\"u}hlkonzepte, die erneuerbare Energiequellen nutzen k{\"o}nnen, gewinnen daher immer mehr an Bedeutung. Hierf{\"u}r besonders geeignet sind Niedertemperatursysteme, wie beispielsweise Thermoaktive Bauteilsysteme (TABS). Die große thermische Tr{\"a}gheit und die geringe Leistung dieser Systeme verhindern eine schnelle Reaktion auf Raumtemperatur{\"a}nderungen. Bisherige Steuer- und Regelstrategien f{\"u}r TABS k{\"o}nnen nur sehr schlecht mit der thermischen Tr{\"a}gheit umgehen, da diese in der Regel keine Pr{\"a}diktionen verwenden. Hinzu kommt eine aufw{\"a}ndige Parametrierung dieser TABS-Strategien, was in der Praxis zu Inbetriebnahmephasen von oft mehreren Jahren f{\"u}hrt. Die M{\"o}glichkeit TABS als einen Kurzzeitenergiespeicher f{\"u}r das durch die wachsende Einspeisung aus fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen belastete Stromnetz nutzbar zu machen, spielt bei diesen Standard-TABS-Strategien bisher keine Rolle. In dieser Arbeit wurde ein neuartiger Algorithmus f{\"u}r die Steuerung von TABS entwickelt, der hier durch die Abk{\"u}rzung AMLR gekennzeichnet wird. Die AMLR nutzt Vorhersagen der Hauptst{\"o}rgr{\"o}ßen einer TABS-Zone zur Berechnung eines innerhalb des n{\"a}chsten Tages zuzuf{\"u}hrenden Energiepaketes. Zu den Hauptst{\"o}rgr{\"o}ßen z{\"a}hlen die tagesgemittelte Außentemperatur, die tagesgemittelte globale Einstrahlung sowie ein Belegungsplan jeder TABS-Zone. Die AMLR verwendet ein dynamisches und ein station{\"a}res Widerstands-Kapazit{\"a}ten(RC)-Modell mit einem Verz{\"o}gerungsglied erster Ordnung (PT1). Das station{\"a}re TABS- und Raummodell wird f{\"u}r eine Adaptionsf{\"a}higkeit und das dynamische Modell f{\"u}r die zeitdiskrete Berechnung von Leistungen genutzt. Es wird gezeigt, dass die Genauigkeit eines Modells mit PT1-Glied f{\"u}r die Steuerung von TABS ausreichend ist. Durch die Adaptionf{\"a}higkeit kann sich der Algorithmus automatisiert an unterschiedliche Geb{\"a}ude, Standorte und Nutzungsprofile anpassen. Auf die Erstellung eines Geb{\"a}udemodells inklusive dessen technischer Geb{\"a}udeausr{\"u}stung (TGA), der W{\"a}rmelasten sowie der Wettereinfl{\"u}sse kann somit verzichtet werden. Weiterhin k{\"o}nnen mit der AMLR mittlere Soll-Raumtemperaturen pro TABS-Zone vorgegeben werden, was bei Standard-TABS-Strategien nicht m{\"o}glich ist. Dem Autor stehen als Testumgebungen zur Evaluierung der AMLR die Triple-Klimakammer des Instituts f{\"u}r Energiesystemtechnik (INES) der Hochschule Offenburg sowie zwei reale Geb{\"a}ude und deren Simulationsmodelle zur Verf{\"u}gung. Bei den Geb{\"a}uden handelt es sich um das in Basel befindliche IWB CityCenter sowie das Seminargeb{\"a}ude der Hochschule Offenburg. Mit Hilfe der Triple-Klimakammer werden die verwendeten RC-Modelle sowie das TRNSYS-Simulationsmodell der Kammer selbst validiert. Durch den direkten Vergleich der AMLR zu Standard-TABS-Strategien kann in Model-in-the-Loop (MiL) Simulationen, Laborversuchen und Pilotanlagen gezeigt werden, dass die AMLR insbesondere dann thermische Energie einsparen kann, wenn es bei der Standardstrategie zu {\"U}berhitzungen im Heizfall und Unterk{\"u}hlungen im K{\"u}hlfall kommt. Des Weiteren zeigen sich Energieeinsparpotenziale durch die M{\"o}glichkeit der zonenspezifischen Beladung der TABS. Anhand von Messdaten einer Pilotanlage kann eine Reduktion des thermischen TABS-Energiebedarfs von {\"u}ber 41 \% belegt werden. In allen Testumgebungen kann eine Einsparung an Hilfsenergie von bis zu 86 \% f{\"u}r die TABS-Pumpen bei gleichzeitiger Verbesserung des thermischen Komforts nachgewiesen werden. Neben Energieeinsparungen sind durch den Einsatz der AMLR Investitionseinsparungen durch eine vereinfachte TABS-Hydraulik m{\"o}glich, da keine konstanten Vorlauftemperaturen notwendig sind. Weiterhin kann gezeigt werden, dass die Leistung eines Zusatzk{\"u}hlsystems durch den Einsatz der AMLR im Vergleich zur Standard-TABS-Strategie reduziert werden kann, ohne den thermischen Komfort zu beeintr{\"a}chtigen. Anhand von Simulationsrechnungen wird das Potenzial von TABS f{\"u}r Lastverschiebemaßnahmen quantifiziert. Durch die Verwendung der AMLR mit dynamischen Strompreisen ist im gezeigten Beispiel eine Einsparung an monet{\"a}ren Kosten von 38 \% m{\"o}glich. Weiterhin konnten Anfragen zur Abschaltung der Beladung der TABS zum Ausgleich fluktuierender erneuerbarer Energieerzeuger durch die AMLR unter Einhaltung des thermischen Komforts durchgef{\"u}hrt werden.},
  subject      = {Thermoaktives Bauteilsystem},
  language  = {de}
}