Monte Rosa Hütte: Integrierte Haussysteme für optimale Energie- und Stoffbewirtschaftung. Schlussbericht

Abstract

Heute werden in der Gebäudetechnik gut bewährte Einzelkomponenten eingesetzt, welche in ihrer Funktion weitgehend optimiert sind. Das vorhandene Energiesparpotenzial lässt sich nur ganz erschliessen, wenn auch eine Optimierung des Zusammenspiels dieser Komponenten durchgeführt wird. Ziel dieses Projektes ist es deshalb, Methoden und Werkzeuge zu entwickeln, mit denen das Energie- und Stoffmanagement in modernen Gebäuden optimiert und dadurch eine erhebliche Energieeinsparung realisiert werden kann. Dabei werden die externen Einflüsse (z.B. das Wetter, die Gebäudenutzung, die Energiekosten etc.) aber auch der Netz- und lokale Speicherzustand berücksichtigt. Mit einer vorausschauenden Steuerung werden die einzelnen Erzeuger, Speicher und Verbraucher im System optimal betrieben, mit dem Ziel, die vorhandene Energie effizienter einzusetzen und Kosten zu sparen. Um alle diese Ideen in konkreten Versuchen zu testen, wird in diesem Projekt die autonome Neue Monte Rosa-Hütte verwendet. Als Grundlage für alle in diesem Projekt durchgeführten Arbeiten wurde zu Beginn ein Monitoring-System installiert, welches sowohl alle Energieflüsse innerhalb der Neuen Monte Rosa-Hütte, die Wetterbedingungen als auch die Übernachtungszahlen aufzeichnet. Diese Messdaten erlaubten eine detaillierte Analyse des Betriebs und dessen Optimierung. In einem weiteren Schritt wurde das aus der Planungsphase der Neuen Monte Rosa-Hütte bestehende detaillierte Gebäudemodell überarbeitet und mit Modellen für die Gebäudetechnik erweitert. Das gesamte Modell wurde danach mit Messdaten verifiziert. Dieses integrale Gebäudemodell mit der gesamten Anlagentechnik erlaubt nun, vor einem allfälligen Umbau die Auswirkungen auf das Gesamtsystem zu berechnen. Des Weiteren wurde basierend auf der modellbasierten vorausschauenden Regelung ein Energie- und Stoffmanagementsystem für die Neue Monte Rosa-Hütte entwickelt. Da in der momentanen Situation der Hütte, d.h. nach der Entfernung des Abwasserspeichertanks, keine relevante Verbesserung der Energieautarkie durch die Implementierung des entwickelten Energie- und Stoffmanagementsystems zu erwarten ist, wurde auf die Implementierung verzichtet. Stattdessen wurde eine simulationsbasierte Dimensionierungsstudie durchgeführt. Für diese Dimensionierungsstudie basierend auf den gemessenen elektrischen und thermischen Verbräuchen wurde angenommen, dass ein Abwasserspeichertank wie in der ursprünglichen Anlage zur Verfügung steht. Die Resultate dieser Studie haben gezeigt, dass das entwickelte Energie- und Stoffmanagementsystem im Vergleich mit einer konventionellen Regelung die Betriebskosten stark reduziert. Zusätzlich wurde ein Batterieenergiemanagementsystem entwickelt, welches ebenfalls auf der modellbasierten vorausschauenden Regelung basiert. Dieses Batterieenergiemanagementsystem optimiert den Betrieb des elektrischen Systems, so dass die Lebensdauer der Batterie verlängert wird. Zukünftig ist geplant, dieses Batterieenergiemanagementsystem in der Neuen Monte Rosa-Hütte zu implementieren.<br/><br/>Today building technology makes use of well-proven components, that are highly optimized in their function. The existing potential for energy savings, however, can often only be exploited completely by the optimization of the interaction of these components. The aim of this project is therefore to develop methods and tools to optimize the energy and waste management in modern buildings in order that considerable energy savings can be realized. In doing so the external influences (i.e. the weather, the use of the building, the energy costs, etc.) but also the state of the grid and the local storage are considered. With a predictive control the individual producers, storages and appliances in the system are operated optimally, with the aim of using available energy more efficiently and saving costs. To test these ideas in concrete experiments this project uses the autonomous New Monte Rosa Hut. At the beginning, as a basis for all work carried out in this project, a monitoring system has been installed that records all the energy flows within the new Monte Rosa hut, the weather conditions and the number of overnight stays. These data allowed a detailed analysis and optimization of the operation of the hut. In a further step, the detailed building model developed in the planning phase of the New Monte Rosa Hut has been revised and extended with models for the building technology. The entire model was then verified with measurement data. This integrated building model with the entire system technology now allows computing the impact of a possible modification on the overall system. Furthermore, based on the model predictive control strategy an energy- and waste management system has been developed for the new Monte Rosa hut. As in the current situation of the hut, i.e. after the removal of the waste water storage tank, no relevant improvement of the energy self-sufficiency is to be expected through the implementation of the advanced energy and waste management system, the implementation was eventually not carried out. Instead, a simulation based sizing study was conducted. For this study based on measurement data of the electric and thermal loads, it was assumed that a waste water storage tank as in the original system is available. The results of the study have shown that - compared to conventional control - the developed energy and waste management system considerably reduces operating costs. In addition, a battery energy management system was developed, which is also based on model predictive control strategy. This battery energy management system optimizes the operation of the electrical system extending the battery life. In the future, an implementation of this battery energy management system in the new Monte Rosa Hut is planned.