Steuerung durch künstliche Intelligenz

Regelung von solarthermischen Heizungsanlagen durch künstliche neuronale Netze

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat im Rahmen des Projekts ANNsolar selbstlernende künstliche neuronale Netze für die Regelung solarthermischer Heizungssysteme entwickelt. Diese sind – ähnlich dem menschlichen Gehirn – in der Lage, Handlungsstrategien selbstständig anhand von zuvor „erlebten“ Situationen zu entwickeln. Sie erfassen dafür unter anderem die individuellen Bedingungen wie lokales Klima und Wärmedämmstandard des Gebäudes sowie das charakteristische Betriebsverhalten der solarthermischen Anlage und des Wärmeverteilsystems. Davon ausgehend kann das intelligente System die Entwicklung der Raumtemperatur, den mutmaßlichen Solarertrag und Speicherladezustand vorhersagen.

Die Abläufe in einem neuronalen Netz, die zur Entscheidung führen, lassen sich als mathematisches Modell darstellen.

Damit können nicht nur der Solarertrag und die Energieffizienz maximiert werden, sondern auch der Aufwand bei Installation und Inbetriebnahme der Regler gesenkt werden. Erwartet werden Einsparungen von mehreren Stunden an Handwerkerdienstleistung. Die Energieeinsparung gegenüber einer konventionellen, nicht optimierten Regelung liegt voraussichtlich bei zwölf Prozent und mehr.

Die Forscher sprechen sich dafür aus, selbstlernende künstliche neuronale Netzen (Artificial Neural Network / ANN), die nichtlineare Zusammenhänge abbilden, und eine Lineare System-Identifikation (LSI) zu kombinieren. Die dafür benötigten Algorithmen wurden am Fraunhofer ISE entwickelt, in einen Regelungscode implementiert und erfolgreich in einer realen Anlage getestet.

Die ANN-Regelung ist dabei für zweierlei zuständig: Zum einen ermittelt sie die optimale Heizkurve, wobei im Vergleich zu einer konventionellen Heizkurve zusätzliche Einflüsse wie die passive solare Erwärmung des Gebäudes oder der Betrieb eines Kaminofens berücksichtigt werden. Zum anderen steuert sie auch die Zuschaltung der fossilen Nachheizung, falls dies notwendig sein sollte. Zuvor überprüft die Regelung jedoch, ob die notwendigen Speichertemperaturen innerhalb eines gewissen Zeitraumes auch ohne Nachheizung erreicht werden. Somit können unnötige Brennerstarts vermieden werden.

Forschung: Fraunhofer ISE, Freiburg im Breisgau

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