Institutsbericht 2020
4.5
Institute of Computational Physics
Artificial-Intelligence-Wärmepumpencontroller
Wir untersuchen eine massentaugliche Wärmepumpenregelung, die auf einem Reinforcement Learning Algorithmus basiert. Der Anwendungsfall sind kleine bis mittlere Anlagen. Normalerweise wird in diesen Systemen keine detaillierte Anlagenoptimierung gemacht. Der Artificial-IntelligenceWärmepumpencontroller kann ohne Zusatzkosten und ohne Installationsaufwand auf Variationen der äusseren Bedingungen und des Nutzerverhaltens reagieren und das System laufend optimieren. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:
A. Witzig, S. Weber, D. Kempf V. Ziebart (IAMP), N. Schmid (IAMP), M. Bätschmann (Firma BS2 AG) Innosuisse 2019–2020
Wärmepumpen sind als Ersatz von Öl- und Gasheizungen ein wichtiger Pfeiler der Energiestrategie 2050 und der weltweiten Anstrengungen zur Reduktion von CO2-Emissionen. In Kombination mit Erdsonden haben sie ausserdem das Potential, einen signifikanten Beitrag zu leisten beim Ausgleich der stochastisch anfallenden Energieproduktion der neuen erneuerbaren Energien. Sie bieten – bei geeigneter Auslegung und Steuerung – für die Betreiber bereits heute eine finanziell interessante Möglichkeit zur direkten Nutzung von lokal produzierter Solarenergie. Der Industriepartner BS2 bietet Wärmepumpen in diesem Segment an und integriert diese in das «2SOL»-System, siehe Abbildung. Der in dieser Arbeit vorgeschlagene neuartige Regler kann die verschiedenen Quellen und Senken sowie die Energiespeicherung ideal kombinieren und bei verändernden äusseren Bedingungen sowie bei Variationen im Benutzerverhalten das System in einem optimalen Zustand halten. Es hat in der Vergangenheit bereits verschiedene Versuche gegeben, die Wärmepumpe mithilfe von künstlicher Intelligenz zu steuern. Die Lernsequenzen für maschinelles Lernen sind jedoch meist zu kurz, um befriedigende Ergebnisse erzielen zu können. In der vorliegenden Arbeit wird aufgezeigt, wie anhand von Simulationen ein ReinforcementLearning-Algorithmus trainiert werden kann, so dass sich der Wärmepumpenregler auf unterschiedlichste Situationen, beispielsweise Gebäudedynamiken, Wettereinflüsse und Benutzerverhalten, einstellen kann. Die verwendete Methodik ist einfach genug für die Einführung im Massenmarkt, sie braucht keine schnelle und stabile Internetverbindung und keine zusätzliche Sensorik.
Zürcher Fachhochschule
Anpassung der Abläufe im Planungs- und Verkaufsprozess sind nicht nötig, und es werden keine sensitiven Betriebsdaten generiert. Während der Inbetriebnahme vereinfachen sich die Abläufe. Sobald die Wärmepumpe eingeschaltet wird, ermittelt sie automatisch den optimalen Betriebspunkt, sowohl für den Heizbetrieb als auch für die Regeneration der Erdsonde und gegebenenfalls für die Kühlung der Gebäude im Sommer. Das System ist erfolgversprechend, da es die Installation vereinfacht, Betriebskosten reduziert und den Komfort steigert.
Abb. System «2Sol», siehe http://www.2sol.ch/: 1. Hybridkollektor, 2. Erdwärmesonde, 3. Wärmepumpe, 4. Wärmeverteilung, 5. Steuerung, 6. Lüftung mit Wärmerückgewinnung.
32
www.zhaw.ch
