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Der verstärkte Einsatz von Wärmepumpen bei der Realisierung einer klimaneutralen Wärmeversorgung führt zu einer signifikanten Zunahme und Änderung der elektrischen Lasten in den Verteilnetzen. Daher gilt es, Wärmepumpen so zu steuern, dass sie Verteilnetze wenig belasten oder sogar unterstützen.
Inhalt des Projekts „PV²WP - PV Vorhersage für die netzdienliche Steuerung von Wärmepumpen“ (Projektlaufzeit 1.07.2018 – 30.06.2021) war die Demonstration eines neuen Ansatzes zur Steuerung von Heizungssystemen, die auf Wärmepumpen und thermischen Speichern basieren und in Kombination mit einer Photovoltaikanlage betrieben werden. Das übergeordnete Ziel war dabei die Verbesserung der Netzintegration und Smart-Grid-Tauglichkeit entsprechender Heizungssysteme durch eine kostengünstige Technologie bei gleichzeitiger Erhöhung der Wirtschaftlichkeit.
Dabei wurden drei zukunftsweisende Technologien in Kombination genutzt und demonstriert: wolkenkamerabasierte Kurzfristprognosen, prädiktive Steuerung und Regelung sowie machinelearning-basierte Systemmodellierung als Basis für die Optimierung. Als Demonstrationsumgebung diente mit dem Projekthaus Ulm ein real bewohntes Einfamilienhaus.Umweltforschung
The conversion of space heating for private households to climate-neutral energy sources is an essential component of the energy transition, as this sector as of 2018 was responsible for 9.4 % of Germany’s carbon dioxide emissions. In addition to reducing demand through better insulation, the use of heat pumps fed with electricity from renewable energy sources, such as on-site photovoltaics (PV) systems, is an important solution approach.
Advanced energy management and control can help to make optimal use of such heating systems. Optimal here can e.g. refer to maximizing self-consumption of self-generated PV power, extended component lifetime or a grid-friendly behavior that avoids load peaks. A powerful method for this is model predictive control (MPC), which calculates optimal schedules for the controllable influence variables based on models of the system dynamics, current measurements of system states and predictions of future external influence parameters.
In this paper, we will discuss three different use cases that show how artificial intelligence can contribute to the realization of such an MPC-based energy management and control system. This will be done using the example of a real inhabited single family home that has provided the necessary data for this purpose and where the methods are implemented and tested. The heating system consists of an air-water heat pump with direct condensation, a thermal stratified storage tank, a pellet burner and a heating rod and provides both heating and hot water. The house generates a significant portion of its electricity needs through a rooftop PV system.