AI4HP

Künstliche Intelligenz für Wärmepumpen

Motivation

Mit der Bekanntmachung zur „Förderung von deutsch französischen Projekten zum Thema Künstliche Intelligenz“ vom 1. Oktober 2020 wird ein vertiefter Wissenstransfer aus der Wissenschaft in die Wirtschaft sowie eine verbesserte Entwicklung innovativer Technologien in Deutschland und Europa, von der insbesondere KMU profitieren, gefördert. Die Förderbekanntmachung ist eingebettet in die nationale Strategie für Künstliche Intelligenz (KI). Mit der Umsetzung der Bekanntmachung wird insbesondere das Handlungsfeld „Forschung in Deutschland und Europa stärken, um Innovationstreiber zu sein“ der KI-Strategie adressiert. Wärmepumpen stellen eine effektive Lösung dar, um den Energieverbrauch und die Umweltbelastung von Gebäuden zu verringern. Für die Raumheizung und Warmwasserbereitung wird die Wärme zunehmend aus natürlichen Energiequellen wie Umgebungsluft, Erdreich oder Grundwasser gewonnen. Damit sind Wärmepumpen eine Schlüsseltechnologie, um erneuerbare Energien in die Wärmeversorgung von Gebäuden einzubringen. Allerdings entspricht die tatsächliche Effizienz von Wärmepumpen in der Praxis nicht immer den Erwartungen. Neben hohen auftretenden Wärmeverlusten wird die Energieeffizienz vermindert, indem die Anlagen unpassend ausgelegt, die Parameter der Wärmepumpenregelung fehlerhaft sind oder Betriebsdefizite unerkannt bleiben. Bis heute werden Wärmepumpen im Wohnbereich hauptsächlich mit sehr einfachen heuristischen Methoden geregelt, die weder die realen Nutzerbedürfnisse noch die Vorhersage externer Störungen wie eine Änderung der Nutzergewohnheiten oder eine Alterung bzw. Sanierung des Gebäudes berücksichtigen.

Ziele und Vorgehen

Gegenstand des AI4HP-Projekts ist daher, neuartige Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) auf Basis des inkrementellen Lernens mit künstlichen neuronalen Netzen (KNN) zur adaptiven Wärmepumpensteuerung und überwachung zu entwickeln. Damit wird eine neue Generation von „intelligenten Wärmepumpen“ geschaffen, die neue Funktionalitäten und Interaktionen integriert und sich dabei verändernden Umgebungsbedingungen anpasst. Ziel ist es, dem Benutzer die beste Energieeffizienz und den besten Komfort zu bieten, Wartungsarbeiten zu erleichtern und Leistungseinbußen durch Fehlererkennung zu vermeiden. KI-Methoden müssen jedoch an Robustheit und Skalierbarkeit gewinnen, um kostengünstig in einer großen Anzahl heterogener Gebäude implementiert werden zu können, in denen die Daten oft von Sensoren mit geringer Präzision und Zuverlässigkeit stammen. Um in der Wärmepumpenregelung integriert werden zu können, müssen die Modelle in ausreichend kurzer Zeit und mit dem verfügbaren Speicher trainiert werden, wobei die notwendige Anpassung an sich ändernde Umgebung zu berücksichtigen ist. Schließlich finden nur zuverlässige und vertrauenswürdige Methoden, die einen sicheren Betrieb gewährleisten, Akzeptanz bei Wärmepumpenherstellern und deren Kunden. AI4HP befasst sich daher mit der Entwicklung neuartiger Methoden für das autonome und adaptive Lernen in einer sich ändernden Umgebung, die anhand von drei Anwendungsfällen zur adaptiven Regelung von Wärmepumpen durch Lernen der optimalen Heizkurve und des Lastprofils sowie zur adaptiven Fehlererkennung und -diagnose entwickelt, in die Wärmepumpenregelung integriert und in Labortests und Pilotgebäuden validiert werden.

Innovationen und Perspektiven

Durch den Einsatz der fortschrittlichen KI-Methoden sollen bis zu 20 % Energieeinsparung und CO2 Emissionsreduzierung ohne Komforteinbußen erreicht werden.

Projektinformation

Projektleitung

Fraunhofer Gesellschaft – Institut für Solare Energiesysteme ISE
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg

Volumen

429.633 €

Laufzeit

09/2021 – 08/2024

Projektpartnerinnen und -partner

Fraunhofer ISE Stiebel Eltron GmbH & Co. KG