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Das Wärmequartier wird als entscheidende räumliche Einheit betrachtet, um Effizienzsteigerungen zu ermöglichen. Dabei spielt die Nutzung regionaler Wärmequellen eine wichtige Rolle, um den steigenden Energiebedarf der Menschheit zu decken. Neben der vielversprechenden Nutzung der Erdwärme durch eine Erdwärmepumpe werden in Uferregionen zunehmend Seewasserwärmepumpen eingesetzt, denn diese nutzen die thermische Energie aus dem See, um den Heiz- und Kühlbedarf zu decken. Dabei ist der geschlossene Kreislauf im Vergleich zu dem offenen Kreislauf weniger effizient, aber dafür stabiler und zuverlässiger, da der Wärmeübertrager im See Vereisungs- und Korrosionsprobleme abmildern kann. Aus diesem Grund werden zunehmend Überlegungen an einem in den See eingetauchten Wärmeübertrager angesetzt. Allerdings wird dieses Potential im deutschsprachigen Raum kaum ausgeschöpft. In dieser Studie erfolgt anhand eines Referenzgebäudes eines Wärmequartiers ein simulativer Vergleich eines Erdwärmepumpensystems mit Erdsonden und eines Seewasserwärmepumpensystems mit einem in den See eingetauchten Rohrbündelwärmeübertrager. Für den Rohrbündelwärmeübertrager wurde die Auswirkungen von einer sich veränderten Übertragungsfläche auf die Effizienz analysiert und optimale Eigenschaften definiert. Der Effekt von einem veränderten Nennvolumen der Pufferspeicher auf die Effizienz, die Heizzyklen und die Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung und Brauchwarmwassers wurde untersucht. Die Folgen von Temperaturänderungen des Erdreichs und des Seewassers auf die Effizienz des Gesamtsystems wurde zudem betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Systemeffizienz durch die Übertragungsfläche und das Verhältnis zwischen Rohrbündelanzahl und -länge verbessert werden kann. Weitere Ergebnisse zeigen, dass die Seewasserwärmepumpe empfindlicher auf Temperaturänderungen der Wärmequelle reagiert als die Erdwärmepumpe. Es wurde ein abschließender jährlicher Vergleich basierend auf den Erkenntnissen aus den Analysen zu dem Rohrbündelwärmeübertrager und dem Nennvolumen der Pufferspeicher mit dem bestehenden geothermischen Referenzsystem durchgeführt. Die Untersuchung der Ergebnisse ergab, dass die Jahresarbeitszahl der Erdwärmepumpe für die Trinkwassererwärmung höher als die der Seewasserwärmepumpe ist. Für den Heizbetrieb wurde eine geringfügig höhere Jahresarbeitszahl bei der Erdwärmepumpe festgestellt. Dafür ist die Seewasserwärmepumpe robuster hinsichtlich der Effizienz und zuverlässiger bezüglich der Wärmebedarfsdeckung von Heizwärme- und Brauchwarmwasserbedarf.
Demand-side management approaches that exploit the temporal flexibility of electric vehicles have attracted much attention in recent years due to the increasing market penetration. These demand-side management measures contribute to alleviating the burden on the power system, especially in distribution grids where bottlenecks are more prevalent. Electric vehicles can be defined as an attractive asset for distribution system operators, which have the potential to provide grid services if properly managed. In this thesis, first, a systematic investigation is conducted for two typically employed demand-side management methods reported in the literature: A voltage droop control-based approach and a market-driven approach. Then a control scheme of decentralized autonomous demand side management for electric vehicle charging scheduling which relies on a unidirectionally communicated grid-induced signal is proposed. In all the topics considered, the implications on the distribution grid operation are evaluated using a set of time series load flow simulations performed for representative Austrian distribution grids. Droop control mechanisms are discussed for electric vehicle charging control which requires no communication. The method provides an economically viable solution at all penetrations if electric vehicles charge at low nominal power rates. However, with the current market trends in residential charging equipment especially in the European context where most of the charging equipment is designed for 11 kW charging, the technical feasibility of the method, in the long run, is debatable. As electricity demand strongly correlates with energy prices, a linear optimization algorithm is proposed to minimize charging costs, which uses next-day market prices as the grid-induced incentive function under the assumption of perfect user predictions. The constraints on the state of charge guarantee the energy required for driving is delivered without failure. An average energy cost saving of 30% is realized at all penetrations. Nevertheless, the avalanche effect due to simultaneous charging during low price periods introduces new power peaks exceeding those of uncontrolled charging. This obstructs the grid-friendly integration of electric vehicles.
Activation of heat pump flexibilities is a viable solution to support balancing the grid via Demand Side Management measures and fulfill the need for flexibility options. Aggregators as interface between prosumers, distribution system operators and balance responsible parties face the challenge due to data privacy and technical restrictions to transform prosumer information into aggregated available flexibility to enable trading thereof. Thereby, literature lacks a generic, applicable and widely accepted flexibility estimation method for heat pumps,which incorporates reduced sensor and system information, system- and demand-dependent behaviour. In this paper, we adapt and extend a method from literature, by incorporating domain knowledge to overcome reduced sensor and system information. We apply data of five real-world heat pump systems, distinguish operation modes, estimate power and energy flexibility of each single heat pump system, proof transferability of the method, and aggregate the flexibilities available to showcase a small HP pool as a proof of concept.
Hot water heat pumps are well suited for demand side management, as the heat pump market faced a rapid growth in the past years with the trend to decentralized domestic hot water use. Sales were accelerated through wants and needs of energy conservation, energy efficiency, and less restrictive rules regarding Legionella. While in literature the model predictive control potential for heat pumps is commonly shown in simulations, the share of experimental studies is relatively low. To this day, experimental studies considering solely domestic hot water use are not available. In this paper, the realistic achievable model predictive control potential of a hot water heat pump is compared to the standard hysteresis control, to provide an experimental proof. We show for the first time, how state-of-the-art approaches (model predictive control, system identification, live state estimation, and demand prediction) can be transferred from electric hot water heaters to hot water heat pumps, combined, and implemented into a real-world hot water heat pump setup. The optimization approach, embedded in a realistic experimental setting, leads to a decrease in electric energy demand and cost per unit electricity by approximately 12% and 14%, respectively. Further, an increase in efficiency by approximately 13% has been achieved.
Grey Box models provide an important approach for control analysis in the Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) sector. Grey Box models consist of physical models where parameters are estimated from data. Due to the vast amount of component models that can be found in literature, the question arises, which component models perform best on a given system or dataset? This question is investigated systematically using a test case system with real operational data. The test case system consists of a HVAC system containing an energy recovery unit (ER), a heating coil (HC) and a cooling coil (CC). For each component, several suitable model variants from the literature are adapted appropriately and implemented. Four model variants are implemented for the ER and five model variants each for the HC and CC. Further, three global optimization algorithms and four local optimization algorithms to solve the nonlinear least squares system identification are implemented, leading to a total of 700 combinations. The comparison of all variants shows that the global optimization algorithms do not provide significantly better solutions. Their runtimes are significantly higher. Analysis of the models shows a dependency of the model accuracy on the number of total parameters.
Wärmepumpen werden als vielversprechende Lösung zur Dekarbonisierung des Gebäudesektors angesehen. Konventionelle Kältemittel, die als direkte Emissionen aus Wärmepumpensystemen austreten, stellen insbesondere vor dem Hintergrund steigender Installationszahlen ein relevantes Treibhauspotenzial dar. Natürliche Kältemittel verfügen über ein geringes Treibhauspotenzial und können daher zur Substitution konventioneller Kältemittel verwendet werden. Dennoch werden sie bislang nicht im großen Maßstab eingesetzt. Es bedarf weiterer Studien und Anreize, um den Einsatz natürlicher Kältemittel voranzubringen. In dieser Fallstudie erfolgt anhand eines Referenzprojektes ein simulativer Vergleich zweier reversibler Luft-Wasser-Wärmepumpen. Im Referenzfall wird das konventionelle Kältemittel R32 verwendet, als Alternative dient das natürliche Kältemittel R290. Die beiden Systeme werden hinsichtlich ihrer Effizienz, Klimawirksamkeit und Wirtschaftlichkeit verglichen. Die notwendigen Berechnungen basieren auf einem kalibrierten Simulationsmodell des Gebäudes und der Anlage. Die Ergebnisse zeigen einen energetischen und ökologischen Vorteil für R290. Im Heizbetrieb, der den Hauptteil des thermischen Energiebedarfs im Referenzprojekt ausmacht, erreicht die Wärmepumpe mit R290 eine um 9% höhere Jahresarbeitszahl. Im Gegensatz dazu erzielt die R32-Wärmepumpe eine um 12% höhere Jahresarbeitszahl im Kühlbetrieb. Durch die höhere Effizienz im Heizbetrieb und das niedrigere Treibhauspotenzial des Kältemittels liegen die Emissionen durch den Betrieb der R290-Wärmepumpe um 17% unter denen der R32-Wärmepumpe. Der wirtschaftliche Vergleich der beiden Systeme fällt aufgrund höherer Investitionskosten zum Nachteil der R290-Wärmepumpe aus.
Insignien der Macht
(2022)
Die Coronavirus Pandemie hatte einen tiefgreifenden Einfluss auf die Art und Weise wie Staats- und Regierungschefs weltweit digitale Netzwerke für politische Kommunikation nutzen. Während PolitikerInnen über soziale Netzwerke vermehrt versuchten ihre WählerInnen zu erreichen, suchten auch NutzerInnen vermehrt auf Kanälen politischer AkteurInnen nach aktuellen Informationen zum Coronavirus. Die Pandemie hat gezeigt, dass die visuelle Kommunikation führender politischer AkteurInnen auf Social Media an Bedeutung gewinnt und als zunehmend zentrale Ressource politischen Handelns kritisch hinterfragt werden sollte. In digitalen Öffentlichkeiten ändern sich zunehmend Rahmenbedingungen visueller politischer Kommunikation. Durch Soziale Netzwerke erhalten PolitikerInnen die Möglichkeit einer ungefilterten Kommunikation mit ihren Wählergruppen. Aus Überlegungen über den Prozesswandel der politischen Kommunikation, stellt sich die Frage wie visuelle politische Kommunikation auf Social Media durch empirische Forschung und visuelle Analysen in ihren Inszenierungsstrategien dekodiert werden kann. Im Rahmen des Forschungs- und Designprojektes Insignien der Macht: Die Entschlüsselung visueller politischer Kommunikation im Zeitalter Visueller Politik soll auf Basis von Visual Literacy und der Bildpädagogik nach Otto Neurath eine visuelle Sammlung erstellt werden, die als Hilfsmittel zur Entschlüsselung inszenierter Bildmaterialien auf Social Media einen Beitrag zur kritischen Betrachtung von Bildern im Zeitalter Visueller Politik durch eine designpraktische Übersetzungsleistung der Forschungserkenntnisse leisten soll.
Ein weit verbreitetes Problem von Heizungs-, Lüftungs- und Kühlungsanlagen (HLK-Anlagen) ist das Schwingungsverhalten der Regelung. Dieses führt zu unerwünschten Taktzyklen und damit zu erhöhtem Energieverbrauch, sowie zu verringerter Lebensdauer der Anlagenkomponenten. Deshalb besteht ein wirtschaftliches und ökologisches Interesse an der Vermeidung des Schwingungsverhaltens. Zum Auffinden von Fehlern, sowie deren Ursachenanalyse, steht in der Literatur ein weites Spektrum an möglichen Werkzeugen zur Fehlerdetektion und -diagnose (FDD) zur Verfügung. Klassische FDD-Werkzeuge für den Bereich von HLK-Anlagen basieren auf umfangreichem Domänenwissen zur Bestimmung der Ursache-Wirkungs-Beziehung von Fehlertypen, wie zum Beispiel Schwingungen. Deren Anwendung im HLK-Bereich ist deshalb mit zeitaufwändigen Analysen durch Fachpersonal verbunden, was hohe Kosten zur Folge hat.
Im Zuge dieser Masterarbeit wird ein FDD-Werkzeug für den Fehlertyp Schwingungen entwickelt, welches den hohen Zeitaufwand der Ursachenanalyse des Schwingens von HLK-Anlagen verringert. Durch die Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens werden potenzielle Ursachen lokalisiert. Außerdem wird gezeigt, wie mit Hilfe des maschinellen Lernens eine Abschätzung über Gegenmaßnahmen zur Behebung der Schwingungsursachen getroffen werden kann.
Die Herausforderung in der Umsetzung des FDD-Werkzeugs liegt dabei in der Auswahl der Methoden für die Implementierung des datenbasierten Modells. Zur Umsetzung werden Daten einer HLK-Anlage eines Gewerbebetriebs am Standort Vorarlberg verwendet. Das entwickelte FDD-Werkzeug dient der fortlaufenden Auswertung von Schwingungen und der Optimierung bestehender Anlagen. Schlussendlich soll damit der Erhöhung der Energieeffizienz und der Erhöhung der Lebensdauer der Komponenten von HLK-Anlagen beigetragen werden.
Flexibility estimation is the first step necessary to incorporate building energy systems into demand side management programs. We extend a known method for temporal flexibility estimation from literature to a real-world residential heat pump system, solely based on historical cloud data. The method proposed relies on robust simplifications and estimates employing process knowledge, energy balances and manufacturer's information. Resulting forced and delayed temporal flexibility, covering both domestic hot water and space heating demands as constraints, allows to derive a flexibility range for the heat pump system. The resulting temporal flexibility lay within the range of 24 minutes and 6 hours for forced and delayed flexibility, respectively. This range provides new insights into the system's behaviour and is the basis for estimating power and energy flexibility - the first step necessary to incorporate building energy systems into demand side management programs.