Fraunhofer ISE
Ein Forschungsprojekt will einer neuen Generation „intelligenter Wärmepumpen“ den Weg bereiten. Mithilfe Künstlicher Intelligenz soll sie sich an sich verändernde Randbedingungen anpassen und so ohne Komforteinbußen Energie einsparen.
Wärmepumpen sind eine besonders effektive Lösung, um den Energieverbrauch und die Umweltbelastung von Gebäuden zu verringern und erneuerbare Energien in die Wärmeversorgung einzubringen. Heizungs-Wärmepumpen werden deshalb die dominierende Heiztechnologie im klimaneutralen Energiesystem der Zukunft sein.
Bereits heute kommen Wärmepumpen in vielen Gebäudetypen zum Einsatz. Doch entspricht die tatsächliche Effizienz von Wärmepumpen in der Praxis nicht immer den Erwartungen – aufgrund falscher Anlagenauslegung, Fehlparametrierung der Regelung oder unerkannten Betriebsdefiziten.
Eine neue Generation „intelligenter Wärmepumpen“
Im Forschungsprojekt „AI4HP“ (09-2021 bis 08-2024) entwickeln das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und Partner aus Industrie (Stiebel-Eltron) und Forschung (CEA List, EDF R&D und LPNC) eine neue Generation „intelligenter Wärmepumpen“, die sich mit Hilfe von künstlicher Intelligenz an sich verändernde Randbedingungen anpasst. Bis zu 20 % Energieeinsparung und CO2-Emissionsreduzierung sind damit ohne Komforteinbußen erreichbar.
Aktuell wird im Idealfall bei Wärmepumpen in Wohngebäuden nach der Installation die Heizkurvenregelung vom Handwerker eingestellt. Diese Regelung ist statisch und berücksichtigt als „Angebotsheizung“ weder die realen Nutzerbedürfnisse („Bedarfsheizung“) noch veränderliche Randbedingungen, wie Änderungen der Nutzer(gewohnheiten) oder eine Alterung bzw. Sanierung des Gebäudes.
Dadurch bleibt Effizienzpotenzial ungenutzt. Dr. Lilli Frison, AI4HP-Projektleiterin am Fraunhofer ISE: „Dabei ist durch die fortschreitende digitale Vernetzung von Wärmepumpe und Gebäude über Smart-Home-Sensorik die Voraussetzung für eine selbstlernende adaptive Regelung geschaffen.“
Adaptive Wärmepumpenregelung und -überwachung
Nun arbeiten deutsche und französische Experten aus den Bereichen Wärmepumpe und Energieversorgung sowie KI-Forschung im Verbundprojekt AI4HP an neuartigen Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) auf Basis von künstlichen neuronalen Netzen (KNN) für die adaptive Wärmepumpenregelung und -überwachung.
Diese neuen KI-gestützten Wärmepumpen sollen erstmals neue Funktionalitäten und Interaktionen mit einer sich verändernden Umgebung ermöglichen. Damit sollen sie zum einen dem Benutzer die höchstmögliche Energieeffizienz und den besten Komfort bieten. Andererseits sollen sie Wartungsarbeiten erleichtern und Leistungseinbußen durch frühzeitige Fehlererkennung vermeiden. Durch den Einsatz der KI-Methoden erwartet das Projektteam bis zu 20 % Energieeinsparung ohne Komforteinbußen.
Frison: „Dafür sollen neuartige maschinelle Lernmethoden aus dem Forschungsbereich Inkrementelles Lernen entwickelt werden, damit die KI schnell einsatzfähig ist und im laufenden Betrieb autonom und adaptiv weiter lernt.“
Ziel ist, die KI-Methoden kostengünstig auf eine große Anzahl unterschiedlicher Gebäudetypen übertragen zu können, in denen die Daten zudem oft von Sensoren mit geringer Präzision und Zuverlässigkeit stammen. Entwickelt wird die KI-Pipeline für die Anwendungsfälle „adaptive Heizkurvenregelung“, „adaptive Regelung von Warmwasserwärmepumpen auf Basis von Lastprognosen“ und „adaptive Fehlererkennung und -diagnose“. Im nächsten Schritt werden diese Wärmepumpenregelungen in einer simulativen Testumgebung integriert und in Labortests und Pilotgebäuden validiert. ■
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