Optimiertes Regelungs- und Betriebsverhalten thermisch aktivierter Gebäude zukünftiger Stadtquartiere (ÖKO-OPT-AKTIV)

In den Bemühungen urbane Energiesysteme umweltfreundlicher und gleichzeitig kosteneffizienter zu gestalten, wurde in den vergangenen Jahrzehnten durch verbesserte Gebäudehüllen und die Einbeziehung regenerativer Energieträger ein großes Einsparungspotential aufgezeigt. Im Gegensatz dazu wurde die Gestaltung des Zusammenspiels der Energiesysteme der einzelnen Gebäude auf Ebene ganzer Stadtquartiere bisher erst in Anfängen untersucht.
Das Projekt ÖKO-OPT-AKTIV zielte darauf ab, die Regelung der Energiesysteme ganzer Stadtquartiere zu verbessern. Durch ein optimiertes Zusammenspiel der gebäudeeigenen Subsysteme, die Einbeziehung volatiler regenerativer Energieträger und durch zentrale Speicherbewirtschaftung können sowohl ökonomische als auch ökologische Verbesserungspotentiale aktiviert werden.
Anhand einer, parallel zum Projekt laufenden, Entwicklung des Energiesystems eines zukünftigen Stadtquartiers in Graz-Reininghaus wurde eine adaptive, modellprädiktive Regelung für die Energieversorgung von zukünftigen Stadtquartieren entwickelt. Die im vorangegangenen Projekt ÖKO-OPT-QUART entwickelte modellprädiktive Regelung der Energiezentrale wurde um die Kommunikation mit den Regelungen der thermischen Zonen in den Einzelgebäuden ergänzt und zu einem umfassenden, selbstlernenden regelungstechnischen Gesamtkonzept des gesamten Stadtteils erweitert. Die Einzelgebäude werden über thermisch aktivierte Bauteile beheizt und gekühlt und über ein Niedertemperatur-Nahwärmenetz sowie Kältenetz von zentralen Grundwasserwärmepumpen versorgt. Zur Versorgung bei Lastspitzen oder bei höherem Temperaturbedarf zum Durchladen dezentraler Warmwasserspeicher ist das System ferner an das Fernwärmenetzwerk angeschlossen. Ergänzend unterstützt ein urbanes photovoltaisches Kraftwerk die Versorgung mit elektrischer Energie.
Als flexibilitätsstiftender Speicher wird im Gegensatz zum Vorprojekt kein sensibler Warmwasserspeicher eingesetzt, sondern auf die thermische Trägheit der Gebäudemassen gesetzt. Um den Konfigurationsaufwand zu minimieren, werden automatisiert anhand von Messdaten thermische Zonenmodelle generiert und eingesetzt, um netzdienlich Verschiebungen der Energieversorgung durchführen zu können, ohne den Komfort in den Wohnungen oder Büros zu gefährden. Die gesamtheitliche Regelung der Energiezentrale sowie der thermischen Zonen wird über die Formulierung und Lösung eines linear-ganzzahligen mathematischen Optimierungsproblems realisiert, wobei die Skalierbarkeit des Problems durch Methoden der verteilten Optimierung und entsprechende Kommunikationsschnittstellen zwischen der Energiezentrale und den einzelnen Gebäuden und Wohneinheiten gewährleistet werden kann.
Die Entwicklungen und Analysen werden anhand detaillierter thermo-elektrischer Simulationsmodelle durchgeführt, wobei die Modellierung der thermischen Bauteilaktivierung auf den Ergebnissen des Projektes solSPONGEhigh beruht.
Die adaptive, modellprädiktive Regelung wird unerwarteten klimatischen Bedingungen, gebäudetechnischen Ausfällen und Kostensprüngen unterworfen, um ihre Robustheit zu testen und ihre Praxistauglichkeit weiterzuentwickeln.
Das Ergebnis ist eine adaptive, modellprädiktive Regelung, die durch die optimale Bewirtschaftung der zentralen Energiespeicher und der thermisch aktivierten Gebäude einen resilienten und kosten- bzw. emissionsminimierten Betrieb des Gesamtenergiesystems eines Stadtquartiers gewährleistet.
In Folgeprojekten (z.B. dem Vorzeigerregions-Projekt UserGRIDs) soll zukünftig eine reale Umsetzung der entwickelten Methoden erfolgen, die Sinnhaftigkeit und Leistungsfähigkeit unter realen Bedingungen unter Beweis gestellt und in weiterer Folge untersucht werden, wie die wissenschaftlichen Methoden in handelsübliche Infrastruktur, speicherprogrammierbare Steuerungen und Mess- und Regeltechnik integriert werden können.