Erweiterung der Systembibliothek von T*SOL durch Kombianlagen

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1 Erweiterung der Systembibliothek von T*SOL durch Kombianlagen Dr.-Ing. Gerhard Valentin, Dipl.-Math. Bernhard Gatzka Dr. Valentin EnergieSoftware GmbH Stralauer Platz 33-34, D Berlin Tel: , Fax: Internet: 1. Zusammenfassung Im Rahmen des von der deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Forschungsprojektes T*SOL für Kombianlagen wurde die Integration von Kombispeichern und der zugehörigen Systeme für individuelle Firmensysteme durchgeführt. Die detaillierte thermische Prüfung des Kombispeichers bildet die Basis für die Implementierung der individuellen Kombianlagen in T*SOL und wurde von unserem Kooperationspartner ITW, Universität Stuttgart durchgeführt. Die Messreihen sind so gewählt, dass sukzessive einzelne Parameter bestimmt werden können. Diese werden als Startwerte für eine Identifikation über alle Parameter gewählt. Als Ergebnis dieser Parameter Identifikation erhält man Parameter, die in Verbindung mit den entsprechenden numerischen Rechenmodellen in T*SOL eine detaillierte Beschreibung des thermischen Verhaltens der einzelnen Komponenten ermöglichen. Diese Ergebnisse werden anhand einer weiteren Messreihe validiert. In T*SOL können aufgrund dieses Verfahrens alle auf dem Markt verfügbaren Kombianlagen sowie die hydraulischen und regelungstechnischen Besonderheiten einer firmenspezifischen Anlage implementiert werden. Die Komponenten werden mit den zuvor bei der Prüfung gemessen Werten und mittels Parameter Identifikation ermittelten Kennwerten parametrisiert. Damit ist eine sehr schnelle Auslegung und Simulation möglich, da nur unter wenigen, komplett vorparametrisierten Komponenten ausgewählt werden muss. Die Besonderheiten von unterschiedlichen Bauweisen von Kombispeichern sowie von Anlagenkonzepten sind durch die Simulation nachvollziehbar und energetisch vergleichbar geworden.

2 2. Modellanpassungen Das ITW hat zu den einzelnen Kombispeichersystemen u.a. die Parameter für die Regelung und die Kombispeicher ermittelt. Die Parameter für das Speichermodell von T*SOL mussten direkt aus den Messsequenzen ermittelt - man sagt gefittet - werden. Um die Speicher dieses Projektes abbilden zu können, mussten diverse Funktionalitäten neu entwickelt bzw. weiterentwickelt werden. Beispiele hierfür sind die Wärmeleitung im Schichtenmodell oder die Einführung effektiver Einlasshöhen, die Verwirbelungseffekte abbilden: Die Speicherschichtung in T*SOL ist ein exaktes Kolbenmodell, d.h. Schichten variabler Höhen mit gleicher Temperatur. Da bis dato die Wärmeleitung zwischen den Schichten vernachlässigt wurde, kam das Modell mit wenigen sich in der Temperatur deutlich unterscheidenden Schichten aus. In der Realität sind die Schichtne nicht so schaf getrennt, so dass als erstes ein Ansatz für die Wärmeleitung integriert werden musste. kwh 0,200 0,180 0,160 0,140 0,120 0,100 0,080 0,060 0,040 kwh 0,200 0,180 0,160 0,140 0,120 0,100 0,080 0,060 0,040 0,020 0,020 0, Datum : , Datum : PBel 72 kwh PEnt 54 kwh PBel (M) 71 kwh PEnt (M) 51 kwh PBel 72 kwh PEnt 53 kwh PBel (M) 71 kwh PEnt (M) 51 kwh Das linke Diagramm basiert auf einer Berechnung ohne Wärmeleitung und mit Be- und Entladungsanschlüssen ganz oben und unten. Bei der Entnahme werden die scharfen Schichtgrenzen als eckiger Kurvenverlauf sichtbar. Im Bild rechts wurde mit Wärmeleitung und einem Durchmischungsbereich von 5% gerechnet. Simulation und Messwerte passen deutlich besser zueinander. Weitere wichtige Modellanpassungen für die unterschiedlichen Herstellerlösungen betreffen die Anbindung des Solarkreises und die Modellansätze für die Trinkwassererwärmung.

3 3 Parameteridentifikation Mit Hilfe der Parameteridentifikation sollen aus den durchgeführten Messungen des ITW die oben beschriebenen Parameter des T*SOL -Speichermodells gefittet werden. Startwerte vorgeben Gemessene Eingangsgrößen (Volumenstrom, Temperatur) als Input für Simulation verwenden Parametersatz über eine Optimierungsstrategie verbessern Simulationsergebnis mit Messwerten vergleichen; Zielfunktionswert ermitteln Lokales Minimum gefunden; Bewertung des Ergebnisses Es wurde ein Testsystem entwickelt, welches es ermöglichte nur einen Kombispeicher zu simulieren und hierzu als Vorgabe die Messwerte zu verwenden. Die eigentliche Optimierung wurde entweder durch gezielte Parametervariation oder mit Hilfe der Evolutionsstragtegie durchgeführt. Die hierzu in T*SOL implementierte Parametervariation ermöglicht es bis zu drei Parameter mit bis 10 Einstellungen zu variieren. Bei einfachen Sequenzen mit wenigen Fittparametern eignet sich dieses Verfahren gut zum Fitten oder zur Ermittlung guter Startwerte für die Evolutionsstrategie.

4 In obigem Bild wurden der Schichtenleitungsfaktor und die obere Beladungshöhe variiert. Ein Minimum der Fehlerfunktion ergibt sich für einen Schichtenleitungsfaktor von 15% und einer rel. Höhe von 95%. Für die Optimierung mit der Evolutionsstrategie wurde ein separates Programm entwickelt. Die Evolutionsstrategie eignet sich gut bei schwierigen Optimierungsaufgaben mit unklaren Startwerten und unausgeprägten Optima (in diesem Fall viele lokale Nebenminima). Im Prinzip ist es ein Ausprobieren und Verwerfen von Parametersätzen nach den Regeln der Evolution (Mutation, Rekombination,...).

5 4. Erprobung und Validierung Für die Erprobung und Validierung wird eine besondere Messsequenz, die sogenannte Verifizierungssequenz verwendet. Diese wurde nicht für die Parameteridentifikation verwendet. In der folgenden Abbildung ist die gesamte Verifizierungssequenz mit den gemessenen und simulierten Leistungen dargestellt. Die Sequenz ist so gestaltet, dass sie typische Randbedingungen für eine Kombispeicheranlagen widerspiegelt. Die zu sehende gute Übereinstimmung konnte nur erreicht werden, indem alle Funktionalitäten eines Kombispeichers (effektive Anschlusshöhen, Speicherverluste, Wärmeleitung, Wärmeübertrager) so genau durch das Modell wiedergespiegelt werden, dass die innere Temperaturschichtung zu jedem Zeitpunkt richtig abgebildet wird. Q K,sim Q Aux,sim Q HW,sim Q Heat, sim Q Cond, sim Q K,meas Q Aux,meas Q HW,meas Q Heat, meas Q Cond, meas Vergleich von Messung und Simulation