Bestehende Anlagen effizienter und flexibler betreiben. Wärmeversorgung in Wohngebäuden modellprädiktiv regeln.

Mit der Wärmewende steigt der Anteil von Wärmepumpen und bivalenten Versorgungskonzepten in Wohngebäuden. Gleichzeitig erschweren schwankende Strom- und Gaspreise sowie zeitvariable Tarifmodelle eine kostenoptimale Betriebsführung mit klassischen regelbasierten Steuerungen.

Im Rahmen des Forschungsprojektes ARCHE wurde für die Heizzentrale eines Wohngebäudes ein modellprädiktives Regelungskonzept simulationsgestützt erprobt. Die Anlage umfasst eine Sole-Wasser-Wärmepumpe, ein Blockheizkraftwerk, einen Brennwertkessel sowie zwei Schichtspeicher auf Hoch- und Niedertemperaturniveau.

Auf Basis eines gemischt-ganzzahligen linearen Anlagenmodells, einer linearen Kostenfunktion und hinterlegter Preiskurven wurde der kostenoptimale Anlagenbetrieb berechnet. Verfügbarkeiten, Preisentwicklungen und weitere Randbedingungen konnten dabei als Nebenbedingungen in die Optimierung integriert und laufend aktualisiert werden.

Typische Optimierungsziele:

• Kostenoptimalen Betrieb von Wärmepumpe, BHKW und Brennwertkessel ermitteln
• Zeitvariable Strom- und Gaspreise in der Regelung berücksichtigen
• Speicher gezielt in Niedertarifphasen vorladen
• Lastspitzen abfangen und Erzeugereinsatz vorausschauend planen
• Schalthäufigkeit der Erzeuger reduzieren

Ergebnis: In einer simulationsgestützten Fallstudie über zwei Winterwochen konnte die Schalthäufigkeit der Erzeuger um mindestens 53 % gesenkt werden. Zudem wurden Lastspitzen effektiv abgefangen und bei höheren Gaspreisen theoretische Kosteneinsparungen von bis zu 11,52 % erzielt.