Analyse und Optimierung des Regelverhaltens komplexer Anlagen

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1 1 / 29 Analyse und Optimierung des Regelverhaltens komplexer Anlagen Erik Sewe erik.sewe@plenuming.de Plenum Ingenieurgesellschaft für Planung Energie Umwelt m.b.h. ModQS Workshop

2 2 / 29 Inhalt 1 Heizungsanlagen mit Warmwasserspeicher 2 Regelkonzepte 3 Probleme 4 Simulation 5 Ausblick

3 3 / 29 Inhalt 1 Heizungsanlagen mit Warmwasserspeicher 2 Regelkonzepte 3 Probleme 4 Simulation 5 Ausblick

4 4 / 29 Beispielanlage : : HK1

5 Beispielanlage : : HK1 Mischkreis: unterschiedliche Vorlauftemperaturen Pumpen im - und Verbraucherkreis Positionen für Fühler und Sensoren 4 / 29

6 Beispielanlage : : HK1 Mischkreis: unterschiedliche Vorlauftemperaturen Pumpen im - und Verbraucherkreis Positionen für Fühler und Sensoren 4 / 29

7 Beispielanlage : : HK1 Mischkreis: unterschiedliche Vorlauftemperaturen Pumpen im - und Verbraucherkreis Positionen für Fühler und Sensoren 4 / 29

8 5 / 29 Vorteile eines Warmwasserspeichers Ersatz einer hydraulischen Weiche: hydraulische Entkopplung ohne Beimischung von warmen oder kalten Wasser Längere Laufzeiten der Wärmeerzeuger Ausgleich von Schwankungen in der Wärmeabnahme Spitzenlastabdeckung

9 5 / 29 Vorteile eines Warmwasserspeichers Ersatz einer hydraulischen Weiche: hydraulische Entkopplung ohne Beimischung von warmen oder kalten Wasser Längere Laufzeiten der Wärmeerzeuger Ausgleich von Schwankungen in der Wärmeabnahme Spitzenlastabdeckung

10 5 / 29 Vorteile eines Warmwasserspeichers Ersatz einer hydraulischen Weiche: hydraulische Entkopplung ohne Beimischung von warmen oder kalten Wasser Längere Laufzeiten der Wärmeerzeuger Ausgleich von Schwankungen in der Wärmeabnahme Spitzenlastabdeckung

11 5 / 29 Vorteile eines Warmwasserspeichers Ersatz einer hydraulischen Weiche: hydraulische Entkopplung ohne Beimischung von warmen oder kalten Wasser Längere Laufzeiten der Wärmeerzeuger Ausgleich von Schwankungen in der Wärmeabnahme Spitzenlastabdeckung

12 6 / 29 Nachteile eines Warmwasserspeichers Platzbedarf Aufwand Regelung Wärmeverlust Kosten

13 Nachteile eines Warmwasserspeichers Platzbedarf T Aufwand Regelung e Betrieb u an/aus volumenstrom 1 Vdot Wärmeverlust Kosten 3 V Verbraucher 2 Ta 1 Tvl Ta Tsoll Heizkurve tsoll_kessel an2 > 0 Step3 Switch3 tsoll_kessel-30 an1 Regler2 e u Betrieb Regler1 Step2 > 0 Switch1 > 0 Switch2 V Verbraucher T soll Vdot Tsoll an/aus temp regelung voll/leer 3 Mod 2 an / aus 6 / 29

14 6 / 29 Nachteile eines Warmwasserspeichers Platzbedarf Aufwand Regelung Wärmeverlust Kosten

15 6 / 29 Nachteile eines Warmwasserspeichers Platzbedarf Aufwand Regelung Wärmeverlust Kosten

16 7 / 29 Regelung Der ist ein passives Element, seine Funktion kann über Volumenströme Druckverhältnisse Vorlauftemperaturen beeinflusst werden. Schema Heizu : : HK1

17 8 / 29 Inhalt 1 Heizungsanlagen mit Warmwasserspeicher 2 Regelkonzepte 3 Probleme 4 Simulation 5 Ausblick

18 9 / 29 Einfache Regelung Zu- und Abschaltbedingung: oben kalt: Wärmeerzeuger zuschalten unten heiss: Wärmeerzeuger abschalten Temperaturen -Solltemperatur und -Sollwert direkt gekoppelt

19 9 / 29 Einfache Regelung Zu- und Abschaltbedingung: oben kalt: Wärmeerzeuger zuschalten unten heiss: Wärmeerzeuger abschalten Temperaturen -Solltemperatur und -Sollwert direkt gekoppelt

20 10 / 29 Komplexe Regelstrategien Prädiktive Regelung: An- bzw. Abschaltpunkte Wärmeerzeuger füllstand kontrollieren Modulierende Wärmeerzeuger: Vermeidung von Startvorgängen Wirkungsgrad Wärmeerzeuger

21 10 / 29 Komplexe Regelstrategien Prädiktive Regelung: An- bzw. Abschaltpunkte Wärmeerzeuger füllstand kontrollieren Modulierende Wärmeerzeuger: Vermeidung von Startvorgängen Wirkungsgrad Wärmeerzeuger

22 11 / 29 Inhalt 1 Heizungsanlagen mit Warmwasserspeicher 2 Regelkonzepte 3 Probleme 4 Simulation 5 Ausblick

23 Position Temperaturfühler I temperatur vom bis BHKW [ C] c Vorlauftemperatur hydraulische Weiche primär [ C] c Istwert Pufferspeicher Oben Wärme [ C] Speic 18:00 21:00 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 Tag 12 / 29

24 Position Temperaturfühler II BHKW temperatur vom bis c Istwert Pufferspeicher Unten Wärme [ C] c Rücklauftemperatur BHKW [ C] c Sollwert Pufferspeicher Wärme [ C] 65 [ C] WWB solar BHKW Fernwärme HZG RLT 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 Tag 13 / 29

25 14 / 29 Regelstrategie

26 Ein- und Ausschaltpunkte von Wärmeerzeugern eicher 80 Goosacker Heizkurve Verbraucher am her solar BHKW [ C] HZG RLT c anlage Steuerung 2 MW 2 Vorlauf Temp [ C] c Ladung MW 1 Temp oben [ C] c Ladung MW 3 Temp unten [ C] c anlage Regelung RW Soll Kessektemp. [ C] Zeit [h] 15 / 29

27 HK1 Heizungsanlagen mit Warmwasserspeicher Regelkonzepte Probleme Simulation Ausblick 16 / 29 Anfahrbetrieb ModQS Grafik am HK1 70 [an/aus] [ C] errechnet - betrieb [an/aus] c Vorlauftemperatur [ C] c Temperatur 1 oben [ C] c Rücklauftemperatur [ C] HK1 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 Zeit [h]

28 17 / 29 Volumenströme

29 17 / 29 Volumenströme Sollvorlauftemperatur

30 Volumenströme Sollvorlauftemperatur Defekt in klappe 17 / 29

31 Wärmeverluste vs. kapazität Rücklauftemperatur Heizung: 40 C Raumtemperatur: 20 C volumen V: 1m 3 Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert): 0.45 W m 2 K Oberfläche A: 5.5m 2 Wärmeverlust: P = U A (T T Raum ) kapazität:q = V (T T Rücklauf ) spez.w ärmekapazität Dichte Temperatur Spreizung Kapazität Verlust- Vor- Rücklauf leistung C K kwh W Tabelle: Werte für einen komplett geladenen 18 / 29

32 Wärmeverluste vs. kapazität Rücklauftemperatur Heizung: 40 C Raumtemperatur: 20 C volumen V: 1m 3 Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert): 0.45 W m 2 K Oberfläche A: 5.5m 2 Wärmeverlust: P = U A (T T Raum ) kapazität:q = V (T T Rücklauf ) spez.w ärmekapazität Dichte Temperatur Spreizung Kapazität Verlust- Vor- Rücklauf leistung C K kwh W Tabelle: Werte für einen komplett geladenen 18 / 29

33 19 / 29 Probleme im Betrieb - Fazit Ein- / Ausschaltpunkte Folgeschaltungen von Wärmeerzeugern kapazität vs. Wärmeverluste Volumenströme Hydraulik / Druckverhältnisse bei verschiedenen Pumpenbetriebsweisen

34 19 / 29 Probleme im Betrieb - Fazit Ein- / Ausschaltpunkte Folgeschaltungen von Wärmeerzeugern kapazität vs. Wärmeverluste Volumenströme Hydraulik / Druckverhältnisse bei verschiedenen Pumpenbetriebsweisen

35 19 / 29 Probleme im Betrieb - Fazit Ein- / Ausschaltpunkte Folgeschaltungen von Wärmeerzeugern kapazität vs. Wärmeverluste Volumenströme Hydraulik / Druckverhältnisse bei verschiedenen Pumpenbetriebsweisen

36 19 / 29 Probleme im Betrieb - Fazit Ein- / Ausschaltpunkte Folgeschaltungen von Wärmeerzeugern kapazität vs. Wärmeverluste Volumenströme Hydraulik / Druckverhältnisse bei verschiedenen Pumpenbetriebsweisen

37 19 / 29 Probleme im Betrieb - Fazit Ein- / Ausschaltpunkte Folgeschaltungen von Wärmeerzeugern kapazität vs. Wärmeverluste Volumenströme Hydraulik / Druckverhältnisse bei verschiedenen Pumpenbetriebsweisen

38 20 / 29 Inhalt 1 Heizungsanlagen mit Warmwasserspeicher 2 Regelkonzepte 3 Probleme 4 Simulation 5 Ausblick

39 Simulink ta Schema From Workspace Tvl Vdot Ta an / aus T Mod V Verbraucher regler T_Rl T_ dv_ein dv_ an/aus Modulation Notaus 1 z T1_ein T1_aus dv1 T2_aus T2_ein [T_mess] dv2 [T] 1 z Ta Trl Tvl Vdot Heizkreis Sp : : HK1 Sp Sp 21 / 29

40 21 / 29 Simulink ta From Workspace Tvl Vdot Ta an / aus T Mod V Verbraucher regler T_Rl T_ dv_ein dv_ an/aus Modulation Notaus 1 z T1_ein T1_aus dv1 T2_aus T2_ein [T_mess] dv2 [T] 1 z Ta Trl Tvl Vdot Heizkreis Eingangsgröße: Außentemperatur Standardblöcke aus HeatLib Parameter für, und Heizkreis Vereinfachter Verbraucher auf Basis Heizkörpergleichung Raumsollwert Tag: 20 C, Nacht: 17 C Simulationsdauer: 7 Tage

41 21 / 29 Simulink ta From Workspace Tvl Vdot Ta an / aus T Mod V Verbraucher regler T_Rl T_ dv_ein dv_ an/aus Modulation Notaus 1 z T1_ein T1_aus dv1 T2_aus T2_ein [T_mess] dv2 [T] 1 z Ta Trl Tvl Vdot Heizkreis Eingangsgröße: Außentemperatur Standardblöcke aus HeatLib Parameter für, und Heizkreis Vereinfachter Verbraucher auf Basis Heizkörpergleichung Raumsollwert Tag: 20 C, Nacht: 17 C Simulationsdauer: 7 Tage

42 21 / 29 Simulink ta From Workspace Tvl Vdot Ta an / aus T Mod V Verbraucher regler T_Rl T_ dv_ein dv_ an/aus Modulation Notaus 1 z T1_ein T1_aus dv1 T2_aus T2_ein [T_mess] dv2 [T] 1 z Ta Trl Tvl Vdot Heizkreis Eingangsgröße: Außentemperatur Standardblöcke aus HeatLib Parameter für, und Heizkreis Vereinfachter Verbraucher auf Basis Heizkörpergleichung Raumsollwert Tag: 20 C, Nacht: 17 C Simulationsdauer: 7 Tage

43 21 / 29 Simulink ta From Workspace Tvl Vdot Ta an / aus T Mod V Verbraucher regler T_Rl T_ dv_ein dv_ an/aus Modulation Notaus 1 z T1_ein T1_aus dv1 T2_aus T2_ein [T_mess] dv2 [T] 1 z Ta Trl Tvl Vdot Heizkreis Eingangsgröße: Außentemperatur Standardblöcke aus HeatLib Parameter für, und Heizkreis Vereinfachter Verbraucher auf Basis Heizkörpergleichung Raumsollwert Tag: 20 C, Nacht: 17 C Simulationsdauer: 7 Tage

44 21 / 29 Simulink ta From Workspace Tvl Vdot Ta an / aus T Mod V Verbraucher regler T_Rl T_ dv_ein dv_ an/aus Modulation Notaus 1 z T1_ein T1_aus dv1 T2_aus T2_ein [T_mess] dv2 [T] 1 z Ta Trl Tvl Vdot Heizkreis Eingangsgröße: Außentemperatur Standardblöcke aus HeatLib Parameter für, und Heizkreis Vereinfachter Verbraucher auf Basis Heizkörpergleichung Raumsollwert Tag: 20 C, Nacht: 17 C Simulationsdauer: 7 Tage

45 21 / 29 Simulink ta From Workspace Tvl Vdot Ta an / aus T Mod V Verbraucher regler T_Rl T_ dv_ein dv_ an/aus Modulation Notaus 1 z T1_ein T1_aus dv1 T2_aus T2_ein [T_mess] dv2 [T] 1 z Ta Trl Tvl Vdot Heizkreis Eingangsgröße: Außentemperatur Standardblöcke aus HeatLib Parameter für, und Heizkreis Vereinfachter Verbraucher auf Basis Heizkörpergleichung Raumsollwert Tag: 20 C, Nacht: 17 C Simulationsdauer: 7 Tage

46 HK1 Heizungsanlagen mit Warmwasserspeicher Regelkonzepte Probleme Simulation Ausblick volumenstrom : : HK1 HK1 Temperatur [ C], Volumenstrom [m3/h] Vorlauftemperatur Verbraucher Rücklauftemperatur Verbraucher Volumenstrom Volumenstrom Verbraucher HK1 HK Zeit [h] HK1 22 / 29

47 : Heizungsanlagen mithk1 Warmwasserspeicher Regelkonzepte ProblemeHK1 Simulation Ausblick : Regelstrategie solltemperatur HK1 Temperatur [ C], Volumenstrom [m3/h] Vorlauftemperatur Verbraucher Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur Verbraucher Volumenstrom Verbraucher HK1 HK Zeit [h] 23 / 29

48 Heizungsanlagen mit Warmwasserspeicher Regelkonzepte ProblemeHK1 Simulation Ausblick Regelstrategie An- und Ausschaltpunkte HK1 80 ar Temperatur [ C], Betrieb [an/aus] BHKW temperatur 1 (oben) temperatur 2 temperatur 3 temperatur 4 betrieb Zeit [h] HK1 24 / 29

49 Heizungsanlagen mit Warmwasserspeicher Regelkonzepte ProblemeHK1 Simulation Ausblick Regelstrategie volumenstrom HK1 100 ar ZG RLT Temperatur [ C], Volumenstrom [m3/h] BHKW Vorlauftemperatur Verbraucher Rücklauftemperatur Verbraucher Volumenstrom Verbraucher Volumenstrom Zeit [h] 25 / 29

50 Heizungsanlagen mit Warmwasserspeicher Regelkonzepte ProblemeHK1 Simulation Ausblick Regelstrategie volumenstrom HK1 80 ar Temperatur [ C], Betrieb [an/aus] BHKW temperatur 1 (oben) temperatur 2 temperatur 3 temperatur 4 betrieb Zeit [h] HK1 26 / 29

51 27 / 29 Nutzen der simulation Überprüfung Regelungskonzepte Fehlererkennung Virtuelle Sensoren Berechnung aktueller füllgrad Aus- bzw. Einschaltzeitpunkte und Regelung von Wärmeerzeugern Auslegung: größe

52 27 / 29 Nutzen der simulation Überprüfung Regelungskonzepte Fehlererkennung Virtuelle Sensoren Berechnung aktueller füllgrad Aus- bzw. Einschaltzeitpunkte und Regelung von Wärmeerzeugern Auslegung: größe

53 27 / 29 Nutzen der simulation Überprüfung Regelungskonzepte Fehlererkennung Virtuelle Sensoren Berechnung aktueller füllgrad Aus- bzw. Einschaltzeitpunkte und Regelung von Wärmeerzeugern Auslegung: größe

54 27 / 29 Nutzen der simulation Überprüfung Regelungskonzepte Fehlererkennung Virtuelle Sensoren Berechnung aktueller füllgrad Aus- bzw. Einschaltzeitpunkte und Regelung von Wärmeerzeugern Auslegung: größe

55 27 / 29 Nutzen der simulation Überprüfung Regelungskonzepte Fehlererkennung Virtuelle Sensoren Berechnung aktueller füllgrad Aus- bzw. Einschaltzeitpunkte und Regelung von Wärmeerzeugern Auslegung: größe

56 27 / 29 Nutzen der simulation Überprüfung Regelungskonzepte Fehlererkennung Virtuelle Sensoren Berechnung aktueller füllgrad Aus- bzw. Einschaltzeitpunkte und Regelung von Wärmeerzeugern Auslegung: größe

57 28 / 29 Inhalt 1 Heizungsanlagen mit Warmwasserspeicher 2 Regelkonzepte 3 Probleme 4 Simulation 5 Ausblick

58 29 / 29 Ausblick Monitoring bei komplexen Heizungsanlagen Sparpotential Anlagenoptimierung Modellbildung vs. reales Objekt Umsetzung neuer Reglerkonzepte

59 29 / 29 Ausblick Monitoring bei komplexen Heizungsanlagen Sparpotential Anlagenoptimierung Modellbildung vs. reales Objekt Umsetzung neuer Reglerkonzepte

60 29 / 29 Ausblick Monitoring bei komplexen Heizungsanlagen Sparpotential Anlagenoptimierung Modellbildung vs. reales Objekt Umsetzung neuer Reglerkonzepte

61 29 / 29 Ausblick Monitoring bei komplexen Heizungsanlagen Sparpotential Anlagenoptimierung Modellbildung vs. reales Objekt Umsetzung neuer Reglerkonzepte

62 Anhang 30 / 29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

63 31 / 29 Anhang Volumenströme HK1 100 Auswertung Mettmann am c Istwert Pufferspeicher Oben Wärme [ C] c Istwert Pufferspeicher Unten Wärme [ C] c Durchfluss Vorlauf BHKW [m3/h] c Durchfluss Rücklauf primär hydraulische Weiche [m3/h] c Durchfluss Vorlauf [m3/h] BHKW [ C] [m3/h] Zeit [h]

64 Anhang 32 / 29 Druckverhältnisse HK1 HK2 HK3 HK

65 Anhang 33 / 29 Druckverhältnisse 100 ModQS Grafik am [ C] [Bit] [an/aus] c HK Verwaltung Regelung MW Vorlauf Temp [ C] c HK Verwaltung Regelung RW Soll Vorlauftemp. akt [ C] c HK Verwaltung Regelung ST Ventil [Bit] errechnet - betrieb [an/aus] Zeit [h]

66 34 / 29 Anhang BHKW Druckverhältnisse - Fernwärme direkt H WWB solar BHKW Fernwärme HZG RLT