Technische Universität München 25. FfE-Fachtagung 2015 - Doktorandenkolloquium Demand Side Management: Einsatz einer realistischen Gebäude- und Anlagensimulation Dipl.-Ing. Florian Sänger Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Technische Universität München München, 29. April 2015 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner Agenda Motivation Vorgehen Ziele Gebäudemodell Randbedingungen Implementierung Ergebnisse Anlagentechnik Zusammenfassung & Fazit Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner 2 Motivation Energiewende: Ausbau erneuerbarer Energien Bruttoleistung in GW 200 175 150 ©TUM IfE 70-063-B15 © TUM IfE 70-063-B15 fluktuierende Erzeugung KWK planbare Erzeugung 125 100 75 50 25 0 2000 2005 2008 2010 2015 2020 2025 2030 2040 2050 Lösungsansätze: Flexible konventionelle und erneuerbare Erzeugung Flexible Nachfrage Speicher Leistungsfähigere Netze Quelle: BMWi Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner 3 Motivation für Lastmanagement in Gebäuden Raumwärmebereitstellung verursacht ca. 30% des deutschen Endenergieverbrauch Ergebnisse vorangegangener Arbeiten bis zu 17% Energieeinsparung durch MPC (OptiControl-II) ca. 25 % Energiekosteneinsparung durch DMS (J. Jungwirth) Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner 4 Vorgehen – Modellprädiktive Regelung Elektrisch beheiztes Gebäude Modell € Strompreis Regelung Elektrisches Heizsystem Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner Gebäude 5 Ziele: Verbesserung und Erweiterung bisheriger Ansätze Modellprädiktive Regelung verursacht hohen Modellierungsaufwand Vereinfachung durch Adaptive Modelle ©TUM IfE 70-064-B15 3,65 Adaptive Modelle bisher nur an einem Ein-Zonen-Modell getestet Zone NW komplexeres Gebäudemodell mit Anlagentechnik Zone NO Zone NO 3,65 Zone NW 4,95 2,40 4,95 Pufferspeicher Zone MW Zone MO SLK Strom 3,65 Zone SO Flur Flur 11,45 Zone MO Zone SW ©TUM IfE 70-065-B15 Wärmepumpe 4,95 3,65 3,65 3,65 Zone MW 2,40 11,45 4,95 Strom 4,95 Mini-KWKAnlage Pufferspeicher Gas 3,65 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner Zone SW Zone SO 6 Agenda Motivation Vorgehen Ziele Gebäudemodell Randbedingungen Implementierung Ergebnisse Anlagentechnik Zusammenfassung & Fazit Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner 7 Randbedingungen Bürogebäude: Schwere Bauart Außen- und Innenwände aus Kalksandstein Zone NO 3,65 Zone NW Betonkernaktivierung / TABS 4,95 2,40 Flur 3,65 Vorlauftemperaturregelung nach Heizkurve Durchfluss je Zone einzeln regelbar Zone MO 11,45 Zone MW 4,95 Zone SO 3,65 Zone SW 31,10 Nach oben Zonen W Flur Zonen O 4,95 2,40 4,95 nicht beheizt nicht beheizt nicht beheizt 13,45 2,95 Nach oben ©TUM IfE 70-066-B15 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner 13,60 8 7 Zonen Modell – Implementierung Standort München 2000 1600 1400 10 1200 1000 0 800 600 -10 400 200 -20 Zone NW 4,95 0 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Zone MW Dez Interne Gewinne 4,95 Zone MO Zone SW 3,65 Zone SO 31,10 Nach oben Nach oben Zonen W Flur Zonen O 4,95 2,40 4,95 nicht beheizt nicht beheizt nicht beheizt 13,45 2,95 1 Person je Büro - 8h/d Arbeitshilfen 100W Beleuchtung nach Bedarf 2,40 3,65 0 Zone NO Flur 1800 20 11,45 ©TUM IfE 70-068-B15 Globalstrahlung 3,65 Temperatur Globalstrahlung in W/m² Temperatur in °C 30 Verschattung und Lüftung Luftwechselrate: 0,8/h Automatische Verschattung Manuelle Fensterlüftung Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner ©TUM IfE 70-067-B15 13,60 9 Energieverbrauch Spezifischer Heizwärmeverbrauch in kWh/m² 140 120 100 80 60 40 20 0 ©TUM IfE 70-069-B15 Ref. Büro Jungwirth [IWU 99] Modell Gesamt Zone NW Zone MW Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner Zone SW Zone NO Zone MO Zone SO 10 Ergebnisse – Komfort PMV 3 zu warm 2 warm 1 etwas warm 0 neutral -1 etwas kühl -2 kühl -3 kalt Anteil unzufriedener Personen (PPD) in % 100 80 60 40 20 0 ©TUM IfE 70-070-B15 -3 -2 -1 0 1 Predicted Mean Vote 2 3 keine 100 prozentige Zufriedenheit möglich Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner 11 Ergebnisse – Komfort Standardvorgehen mit festen Grenztemperaturen 30 T_Raum Zone MW Obere Grenze (24°C) Raumtemperatur in°C Untere Grenze (20°C) 25 20 15 ©TUM IfE 70-071-B15 -10 0 10 gleitender Mittelwert der Außentemperatur in °C Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner 20 12 Ergebnisse – Komfort Verbessertes vorgehen mit Adaptivem Behaglichkeitsbereich Raumtemperatur in°C 30 T_Raum Zone MW Class C (65%) Class B (80%) Class A (90%) 90 80 65 25 20 15 ©TUM IfE 70-072-B15 -10 0 10 gleitender Mittelwert der Außentemperatur in °C Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner 20 13 Agenda Motivation Ziele Vorgehen Gebäudemodell Randbedingungen Implementierung Ergebnisse Anlagentechnik Zusammenfassung & Fazit Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner 14 Anlagentechnik Variante 1: Wärmepumpe Strom Pufferspeicher Wärmepumpe ©TUM IfE 70-073-B15 Variante 2: Blockheizkraftwerk SLK Strom Mini-KWKAnlage Pufferspeicher Gas ©TUM IfE 70-074-B15 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner 15 Zusammenfassung MPC – Modellprädiktive Regelung der Zonen und der Erzeugung Modell Wetter interne Gewinne Strompreis € Modellprädiktiver Regler Randbedingungen ©TUM IfE 70-075-B15 WP Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner PS 16 Fazit MPC kann den thermischen Komfort verbessern MPC kann Energieeinsparungen realisieren MPC ermöglicht Lastmanagement in Gebäuden Potentialabschätzung für Raumwärme in Deutschland: Installierte Thermische Leistung: Thermische Speicherkapazität: 374 GWth 262 GWhth Potential in Bürogebäuden mit TAB: 2014: 2030: 2050: 0,7 GWth mit 1,7 GWth 2,5 GWth mit 6,0 GWhth 6,0 GWth mit 14 GWhth Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner 17
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