Wärmepumpen in Eigenheim, Industrie und Gemeinden: Künstliche Intelligenz erhöht Betriebssicherheit und Effizienz

Im Hinblick auf die deutschen Klimaziele und die damit verbundene Energiewende hat die Wärmepumpe ihren besonderen Charme, denn mit beeindruckenden Wirkungsgraden zwischen 250 und 500% ist die Energieerzeugung (bei Nutzung regenerativer Energiequellen) CO2 frei.

Da die Kosten Beschaffung und Installation einer Wärmepumpe (für ein Einfamilienhaus) durchschnittlich etwa 27.000 Euro betragen (mögliche Förderungen bleiben hier unberücksichtigt), hat der Hauseigentümer ein vitales Interesse an einem störungsfreien Betrieb. Auch in der Industrie und in Gemeinden stellen Großwärmepumpen eine flexible, kosteneffiziente und klimaneutrale Lösung dar. Laut einer Studie des Fraunhofer IEG waren Anfang 2023 in Deutschland mindestens 30 Wärmepumpenanlagen mit jeweils einer thermischen Leistung über 500 kW in Betrieb, die zusammen eine Gesamtleistung von ca. 60 MW aufwiesen. Überdies waren mindestens 30 weitere Großwärmepumpenprojekte mit einer Gesamtleistung von rund 600 MW im Bau oder in Planung. Langfristszenarien im Auftrag des Bundeswirtschaftsministeriums ergaben, dass Großwärmepumpen bis 2045 über 70% der Fernwärme in Deutschland bereitstellen könnten.

Typische Störungen der Wärmepumpe

Doch, so umweltfreundlich die Wärmepumpe auch ist, komplett störungsfrei laufen auch sie nicht. Neben Verschleißerscheinungen an dem den Verdichter antreibenden Elektromotor treten Störungen in der Wärmepumpe zum Beispiel in Form von zu geringen bzw. zu hohen Temperaturunterschieden in Verdampfer und Verflüssiger auf. Beispielsweise könnte die Temperatur des Kühlmittels beim Austritt aus dem Verflüssiger noch zu hoch sein, so dass sie beim Eintritt in den Verdampfer einen zu geringen Unterschied zur Energiequelle hat. Das hat zur Folge, dass das Kühlmittel weniger Energie aus der Umgebung aufnehmen kann – die Wärmepumpe arbeitet dann ineffizient und bringt zu wenig Leistung.

„Neben einer Hochdruck- und Niederdruckstörung können weitere Störungen im Kältemittelkreislauf auftreten, die einen Ausfall der Wärmepumpe nach sich ziehen können. So führt eine zu geringe Menge an Kältemittel zum Absinken des Saugdrucks im Verdampfer. Ein defektes Expansionsventil führt zu nicht optimalem Kältemittelfluss zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite und sorgt so für zu geringe bzw. zu hohe Temperaturunterschiede, so dass die Energiegewinnung nicht mehr effizient erfolgen kann. Weitere typische Fehlerquellen sind beispielsweise defekte Verdampferlüfter, defekte Abtauung, verschmutze Register, geschlossene Absperrventile und verstopfte Filtertrockner,“ erläutert Viacheslav Gromov, Geschäftsführer des KI-Lösungsanbieters AITAD die Situation noch genauer.

Mit Predictive Maintenance vorbeugen

Mittels künstlicher Intelligenz (KI) lassen sich nahezu alle potenziellen Schwachstellen der Wärmepumpe überwachen. Kritische Zustände können mit Hilfe intelligenter Sensorik frühzeitig noch vor ihrem Eintreten entdeckt und beseitigt werden. Die Wartung der Heizungsanlage ist somit komfortabel und effizient planbar, ohne dass es zu einem ungeplanten Ausfall kommt (Predictive Maintenance).

Auf der Technologieseite bietet sich der Einsatz intelligenter Sensoren („Embedded-KI Systemkomponenten“) an, bei denen die KI direkt auf dem Sensorboard untergebracht ist und die Überwachung der Wärmepumpe auch ohne Internet- oder Cloudverbindung erfolgen kann. Embedded-KI hat zudem den großen Vorteil, dass sie viel größere Datenmengen (bis zu mehreren Terabyte täglich) verarbeitet, was mit herkömmlichen Cloud- oder Serverlösungen nicht möglich ist, da solch große Datenmengen kaum übertragbar sind.  

Typische Use Cases zur vorausschauenden Wartung der Wärmepumpe:

• Predictive Maintenance mit Ultraschall/Vibration-Embedded-KI-Sensor beim Kompressor (s. Abb. Sensorposition 1)
• Optimierung/Effizienzsteigerung des Kompressors durch Zustands- und Anomalieerkennung durch Schall/Ultraschall-Embedded-KI-Sensorik am Kompressor (s. Abb. Sensorposition 1)
• Optimierung/Effizienzsteigerung des Verflüssiger-/Verdampfer-Prozesses durch Zustands- und Anomalieerkennung (Wärmeverteilung) durch IR-Raster-Embedded-KI-Sensor vor Verflüssiger/Verdampfer (s. Abb. Sensorposition 2 bzw. 3)
• Optimierung/Effizienzsteigerung des Expansionsventils durch Zustands- und Anomalieerkennung (Wärmeverteilung) durch Schall/Ultraschall-Embedded-KI-Sensorik am Ventil (s. Abb. Sensorposition 4)
• Predictive Maintenance mit Ultraschall/Strom/Vibration-Embedded-KI-Sensor beim Kühl-Ventilator (s. Abb. Sensorposition 5)
• Sprach- und Gestensteuerung sowie Personenerkennungen Optisch/Radar/Lidar-Embedded-KI-Sensor und indirekt z.B. durch VOC-Embedded-KI-Sensor (Personenzahl, Fensteröffnung, etc.) (s. Abb. Sensorposition 6)

Im letzten Fall kann Embedded-KI sogar zur intelligenten Steuerung der kompletten Heizungsanlage zum Einsatz kommen, indem beispielsweise die Temperatur im Raum in Abhängigkeit von der Personenzahl geregelt wird, oder auch erkennt, ob die Fenster geöffnet sind, so dass die Steuerung sich optimal auf die jeweilige Situation vollautark einstellt.

Die nächste KI-Revolution

Embedded-KI stellt den jüngsten Megatrend innerhalb der Künstlichen Intelligenz dar. Dabei handelt es sich um die Verschmelzung von Sensor und KI auf einem Board, das als Embedded-KI-Systemkomponente bezeichnet wird. Das bedeutet, dass die Sensordaten vor Ort und in viel größerer Tiefe und in Echtzeit ausgewertet werden. Anstelle der Daten werden nur noch die Auswertungsergebnisse weitergegeben. Damit sind derartige Lösungen auch besonders datenschutzsicher. Die zentralen Einsatzbereiche sind Predictive Maintenance, User Interaction und funktionale Innovationen. Aufgrund der Ressourcenbeschränktheit von Embedded-KI – wenig Speicher- und Energiebedarf – letzterer kann in einer Wärmepumpe sogar mittels Energy Harvesting gedeckt werden – verlängert sich nicht nur die Lebensdauer, auch die Energiegewinnung wird optimiert.

„Die Wärmepumpe ist ein vielversprechendes Werkzeug für den Klimaschutz und die nachhaltige Energieversorgung. Mittels Künstlicher Intelligenz lässt sich die Effizienz und Lebensdauer der Wärmepumpe verlässlich und mit Kundennutzen noch weiter erhöhen. Diese umweltfreundliche Technologie wird noch interessanter, da die Wärmepumpe mit ihr einen „eingebauten Investitionsschutz“ erhält. Auf diese Weise trägt Embedded-KI zur Nachhaltigkeit und damit letztlich zum Gelingen der Energiewende bei,“ bemerkt Gromov abschließend.