Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE erforscht innovative Methoden zur Optimierung von Wärmepumpen durch den Einsatz künstlicher Intelligenz. Im Rahmen eines Projekts „AI4HP“ wurde in Zusammenarbeit mit Stiebel Eltron und weiteren Forschungseinrichtungen eine neue Generation von intelligenten Wärmepumpen entwickelt.
Der Fokus liegt auf der Implementierung künstlicher neuronaler Netze zur automatisierten Anpassung der Wärmepumpenregelung an individuelle Gebäudebedingungen. Traditionell werden Wärmepumpen mit statischen Heizkurven geregelt, die bei der Installation festgelegt werden. Diese Methode hat jedoch Nachteile, da sie weder kurzfristige Umweltveränderungen wie Sonneneinstrahlung noch langfristige Entwicklungen wie Gebäudealterung berücksichtigt. Eine präzisere Anpassung erfordert aufwendige manuelle Kalibrierungen. Die künstliche Intelligenz im neuen Ansatz erfasst kontinuierlich Messwerte und optimiert die Regelung in Echtzeit.
Die neu entwickelte KI-Regelung wurde in umfangreichen Simulationen getestet. Dabei wurden drei verschiedene Gebäudetypen aus unterschiedlichen Baujahren und mit unterschiedlichen energetischen Sanierungszuständen jeweils für eine komplette Heizsaison simuliert.
Die Ergebnisse zeigen eine durchschnittliche Energieeinsparung von 5 bis 13 Prozent gegenüber herkömmlichen Heizkurven, eine verbesserte Übereinstimmung der Raumtemperatur mit der gewünschten Solltemperatur und potenzielle weitere Einsparungen durch zukünftige Integration der Effizienz-Charakteristik der Wärmepumpe in die Regelung. Diese Simulationsergebnisse bestätigen das hohe Optimierungspotenzial der KI-gestützten Regelungsstrategie. Insbesondere die selbstkalibrierende Anpassung an die spezifischen Gebäudebedingungen führt zu einer signifikanten Effizienzsteigerung.
Ein erster Feldtest wurde in einem realen Gebäude durchgeführt, um die Praxistauglichkeit der neuen Regelungsstrategie zu evaluieren. Die wichtigsten Erkenntnisse aus diesem Test sind eine Verringerung der mittleren Abweichung zwischen Soll- und Ist-Temperatur um mehr als 50 Prozent, eine Verbesserung des COP-Werts (Coefficient of Performance) der Wärmepumpe um 25 Prozent und eine Stabilisierung der Heizkurvenparameter nach wenigen Tagen, was eine langfristige Effizienzsteigerung ermöglichte. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die KI-gestützte Regelung nicht nur zu Energieeinsparungen, sondern auch zu einem erhöhten Nutzerkomfort führt. Die verlängerte Monitoring-Phase soll in zukünftigen Studien weiter vertieft werden.
Zusätzlich wurde die Optimierung von Warmwasser-Wärmepumpen durch KI-Algorithmen untersucht. Ein Labortest mit einer realen Wärmepumpe und einem simulierten Verbrauchsprofil ergab eine potenzielle Reduzierung des Stromverbrauchs für die Warmwasserbereitung um bis zu 8 Prozent sowie eine verbesserte Steuerung der Wärmepumpe durch präzisere Bedarfsprognosen. Dies zeigt, dass der Einsatz von KI nicht nur im Heizbetrieb, sondern auch in der Warmwasserbereitung zu signifikanten Effizienzgewinnen führen kann.
Trotz der vielversprechenden Ergebnisse stellen sich einige Herausforderungen bei der praktischen Umsetzung. Die KI-Methoden müssen robust genug sein, um in einer Vielzahl von Gebäudetypen effizient zu arbeiten. Nur stabile und vertrauenswürdige Regelungsalgorithmen werden von Herstellern und Endkunden akzeptiert. Die Genauigkeit des KI-Modells beeinflusst maßgeblich die Leistung der Regelung, sodass hier weiterhin Optimierungsbedarf besteht. Die Forscher betonen, dass die KI-Methoden weiterentwickelt werden müssen, um eine kostengünstige Implementierung in verschiedenen Gebäuden zu ermöglichen, die sicher und zuverlässig arbeitet.
Die Forschungsergebnisse des Projekts zeigen deutlich, dass KI-gesteuerte Wärmepumpen einen erheblichen Beitrag zur Energieeinsparung und Effizienzsteigerung leisten können. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass eine breite Markteinführung intelligenter Wärmepumpen in Zukunft realistisch ist. Weitere Langzeittests und Optimierungen werden die Praxistauglichkeit weiter validieren.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Projekt, um die Marktfähigkeit dieser Technologie voranzutreiben.
Link für weitere Informationen und Downloads
- Fraunhofer ISE – KI gesteuerte Wärmepumpen steigern die Effizienz (Link)
