Hybrid-Wärmepumpe: Wind und Solar senken die Kosten drastisch

Was passiert, wenn KI den Mix aus Wind, Sonne und zwei Wärmepumpen regelt? Simulationen belegen halbierte Energiekosten und drastisch weniger Netzbezug. Der entscheidende Faktor für die Effizienz liegt in einer saisonalen Taktik.

Smarte Algorithmen steuern Wind und Sonne

Chinesische Wissenschaftler der Shenyang Jianzhu University und der Shanghai Jiao Tong University haben ein Konzept für ein komplexes hybrides Energiesystem vorgestellt, das die Abhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz in Wohngebäuden massiv reduzieren soll. Das System kombiniert kleine Windkraftanlagen, Fotovoltaik und zwei unterschiedliche Arten von Wärmepumpen mit einer neuartigen, softwarebasierten Steuerungsstrategie. Im Fokus der Untersuchung steht ein Einfamilienhaus in der kalten Klimazone Nordostchinas, das durch die intelligente Vernetzung von thermischen und elektrischen Speichern dem Status eines Nullenergiehauses näherkommen soll. Die durchgeführten Simulationen zeigen, dass durch den Einsatz saisonaler Betriebsmodi die Energiekosten mehr als halbiert werden können.

Die technische Basis des untersuchten "Low-Energy Residential Building" (LERB) bildet eine umfangreiche Hardware-Konfiguration, die weit über Standardinstallationen hinausgeht. Zum Einsatz kommen eine Erdwärmepumpe (GSHP) als Primärsystem und eine Luftwärmepumpe (ASHP) zur Unterstützung bei Spitzenlasten. Gekoppelt wird dieses Heizsystem mit einer Fotovoltaikanlage, die 13,12 Kilowatt leistet, sowie zwei Windturbinen mit jeweils drei Kilowatt Leistung. Infografik Heizung einfach erklärt: So arbeitet eine Wärmepumpe Zur elektrischen Pufferung dient ein Batteriespeicher mit 25 Kilowattstunden Kapazität. Zusätzlich integrierten die Ingenieure einen Wassertank mit speziellen Phasenwechselmaterialien (PCM). Diese Materialien können große Mengen thermischer Energie speichern, indem sie ihren Aggregatzustand ändern, was die Effizienz der Wärmespeicherung im Vergleich zu herkömmlichen Wasserspeichern deutlich erhöht.

Optimierung durch saisonale Interaktion

Wie das PV Magazine berichtet, entwickelten die Forscher für dieses Setup eine sogenannte "saisonale Energie-Interaktionsstrategie". Diese Software-Logik sieht vor, dass das Erdreich im Frühling aktiv vorgekühlt und im Herbst vorgeheizt wird. Ziel ist es, die Temperaturdifferenz für die Erdwärmepumpe im jeweils darauffolgenden Sommer beziehungsweise Winter zu optimieren.

In den Sommermonaten nutzen die Wärmepumpen überschüssigen erneuerbaren Strom direkt zur Kühlung des Gebäudes und zur thermischen Speicherung. Ein Algorithmus berechnet dabei kontinuierlich die ideale Lastverteilung zwischen direkter Nutzung, Batterieladung und Netzeinspeisung.

Ein zentrales Element der Steuerung ist der Einsatz des "Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II" (NSGA-II) in Kombination mit Partikelschwarmoptimierung. Diese Methoden der künstlichen Intelligenz suchen nicht nur nach einer einzigen Lösung, sondern ermitteln eine Vielzahl von optimalen Kompromissen zwischen konkurrierenden Zielen - etwa zwischen maximaler Energieeinsparung und thermischem Komfort. Die Simulation, die unter anderem mit der Software TRNSYS durchgeführt wurde, lieferte vielversprechende Daten:

Langzeitstabilität des Erdreichs

Ein oft unterschätztes Problem bei der alleinigen Nutzung von Erdwärmepumpen ist die langfristige Auskühlung des Bodens, auch als thermische Erschöpfung bekannt. Wird dem Boden über Jahre hinweg im Winter Wärme entzogen, ohne dass diese im Sommer adäquat zurückgeführt wird, sinkt die Effizienz der Anlage drastisch, und es kann zu Vereisungen um die Erdsonden kommen. Die Studie spricht auch genau dieses Phänomen: an Durch die aktive Injektion von Wärmeüberschüssen in den Boden sank die Bodentemperatur im Simulationsmodell über einen Zeitraum von zehn Jahren lediglich um 0,42 Grad Celsius. Dies deutet auf einen sehr nachhaltigen Betrieb hin, der die geothermische Ressource schont.

Freilich: Es handelt sich um eine simulierte Studie unter den spezifischen klimatischen Bedingungen Shenyangs, die sich durch sehr kalte Winter und warme Sommer auszeichnen. Die Übertragbarkeit auf mitteleuropäische Verhältnisse hängt stark von lokalen Gegebenheiten wie Windhöffigkeit und Bodenbeschaffenheit ab. Zudem erhöht die Integration zweier unterschiedlicher Wärmepumpentypen und Windkraftanlagen die Komplexität der Installation und Wartung erheblich. Dennoch demonstriert die Arbeit eindrucksvoll, wie sehr softwareseitiges Energiemanagement die Hardware-Performance steigern kann.


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