Forscher stärken: Vereinfachung der Forschungsprozesse und einhergehende Leistungssteigerung durch GI.bench und GI.cloud

In dem Maße, in dem sich die Welt auf erneuerbare Energien verlässt, wird der Bedarf an flexiblen Lösungen zum Ausgleich von Energieangebot und -nachfrage immer wichtiger. Eine Schlüsseltechnologie, die in dieser Hinsicht ein großes Potenzial hat, sind die Wärmepumpen für Haushalte. Die laufende Forschung erkundet, wie diese Wärmepumpensysteme und ihre thermischen Speichermöglichkeiten als flexible Ressourcen innerhalb des breiteren elektrischen Energiesystems nutzbar gemacht werden können. Als Industriepartner des Josef Ressel Zentrums für Intelligente Thermische Energiesysteme an der Fachhochschule Vorarlberg treibt Gantner Instruments die Innovation im Bereich des Demand Side Management mit Wärmepumpensystemen voran, mit besonderem Fokus auf Leistungssteigerung und Vereinfachung der Forschungsprozesse. In diesem Artikel wird der zu Forschungszwecken verwendete Prüfstand [1] näher beleuchtet, wobei der Aufbau der Sensoren und Aktoren, die Herausforderungen bei der Regelung und die zentrale Rolle von GI.bench und GI.cloud bei der Optimierung der Wärmepumpenleistung hervorgehoben werden.

Konfiguration des Prüfstands

Der Prüfstand beinhaltet eine handelsübliche 200-Liter Luft-Wasser-Wärmepumpe zur Warmwasserbereitung. Eine detaillierte Datenerfassung sowie Steuerung wird durch eine umfassende Sensor- und Aktuator-Konfiguration ermöglicht. Durch Thermoelemente des Typs K werden Tauchhülsentemperatur, Zu- und Ablauftemperatur (Kalt- und Warmwassertemperatur), sowie Umgebungstemperatur gemessen. Darüber hinaus erfasst eine Leistungsmessung den elektrischen Energieverbrauch, während ein magnetisch induktiver Durchflussmesser die Volumenstromrate misst. Die Steuerung des Zapfprofils für die Warmwasseranforderung erfolgt über ein kontinuierlich steuerbares 2-Wege-Motorventil. Alle Aufgaben zur Datenerfassung und Steuerung werden nahtlos vom Gantner Instruments Q.station-XT verwaltet.

Leistungssteigerung für Forscher

Die Einfachheit von GI.bench und GI.cloud spielt eine entscheidende Rolle im Laborumfeld, indem sie eine reibungslose Vorverarbeitung von Daten ermöglicht. Die GI.bench erleichtert die Verbindung von Wärmepumpensystem mit der GI.cloud, einer zentralen Plattform, die Forschern die Kontrolle über die Wärmepumpeneinheit ermöglicht. Die mit Python Jupyter Notebooks entwickelte Software kann problemlos sowohl auf der Q.station als auch auf GI.cloud bereitgestellt werden. Durch die Bereitstellung und mehrseitige Nutzungsmöglichkeit wird ein einheitliches Software-Ökosystem geschaffen. Die optimierte Umgebung ermöglicht es Forschern, Datenvorverarbeitung, Systemidentifikation und Zustandsschätzung mühelos durchzuführen. Die benutzerfreundliche Oberfläche und intuitive Nutzung von GI.bench und GI.cloud befreien Forscher von komplexen technischen Details und ermöglichen es ihnen, sich auf ihre Kernforschungsziele und ihre Hauptarbeit zu konzentrieren.

Die GI.cloud ermöglicht es Forschern, von überall auf der Welt auf das Wärmepumpensystem zuzugreifen. Die Q.station fungiert dabei als entscheidendes Bindeglied und erleichtert eine reibungslose Datenübertragung und Steuerfunktionen zwischen der Warmwasser-Wärmepumpe und der GI.cloud. Diese Konnektivität ermöglicht es den Forschern, die Wärmepumpe in Echtzeit remote zu überwachen, analysieren, optimieren und zu steuern. Im betrachteten Zeitraum erfolgte die Optimierungsroutine in 15-Minuten-Intervallen, wobei die Daten analysiert und der beste Schaltzustand für einen Vorhersagehorizont von bis zu 24 Stunden prognostiziert wurden. Die durchschnittliche Speichertemperatur ist für den Optimierungsprozess von entscheidender Rolle und muss daher vor der Optimierung mithilfe der Zustandsschätzung berechnet werden. Sobald die Optimierung abgeschlossen ist, wird die berechnete Lösung in Echtzeit als Signal über die Ausgangsanschlüsse der Q.station gesendet, um die Wärmepumpeneinheit effizient gemäß den gewünschten Parametern zu steuern. Dieser Ansatz gewährleistet eine optimale Leistungs- und Energieausnutzung mit dem Wärmepumpensystem. Mehr dazu finden Sie in der Open-Access Publikation von Baumann et al. [1], die ebenso in Advances in Engineering gefeatured wurde .

Fazit

Die Zusammenarbeit zwischen Gantner Instruments und dem Josef Ressel Zentrum trägt dazu bei, die Forschung in intelligenten thermischen Energiesystemen zu transformieren. Durch die Nutzung von GI.bench und GI.cloud steigern Forscher ihre Leistung, indem sie ihre Workflows vereinfachen. Dabei können wertvolle Erkenntnisse gewonnen und die Flexibilität und Effizienz von Warmwasser-Wärmepumpen für das Demand Side Management verbessert werden. Die benutzerfreundlichen Schnittstellen, die nahtlose Konnektivität und die umfassenden Datenvorverarbeitungsmöglichkeiten, die die GI.bench und die GI.cloud bieten, ermöglichen es Forschern, das volle Potenzial des Wärmepumpensystems für das Demand Side Management zu nutzen. Dadurch wird die Forschung, die für den Übergang zu einem nachhaltigen Energiesystem erforderlich ist, schneller und effizienter.

[1] C. Baumann, G. Huber, J. Alavanja, M. Preißinger, P. Kepplinger, Experimental validation of a state-of-the-art model predictive control approach for demand side management with a hot water heat pump, Energy and Buildings 285 (2023) 112923.doi:10.1016/j.enbuild.2023.112923.