Regelung mit einfacher Pulsbreitenmodulation

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1 Hans Rudolf Gabathuler, Dipl. El.-Ing. FH und Hans Mayer, Dipl. El.-Ing. FH Gabathuler AG Beratende Ingenieure Kirchgasse Diessenhofen Regelung mit einfacher Pulsbreitenmodulation Bisherige Regelstrategien versuchten vor allem eine optimale Regelung der Wärmeabgabe zu erreichen. Der neue Ansatz, der Pulsbreitenmodulation (PBM) verwendet, will in erster Linie einen optimalen Betrieb der Wärmepumpe garantieren, unter Ausnutzung der thermischen Trägheit heutiger Gebäude und Wärmeabgabesysteme. In Phase 1 wurde PBM an einer Referenzanlage erprobt. Es ergaben sich folgende Resultate: 1. In einem thermisch trägen Gebäude mit einer trägen Fussbodenheizung konnte PBM problemlos eingesetzt werden. Die befürchtete Raumtemperaturschwankung infolge der zeitverzögerten Energiezufuhr blieb aus. 2. Der dazu notwendige Geräte- und Bedienungsaufwand war nicht grösser als derjenige einer herkömmlichen witterungsgeführten Zweipunkt-Rücklauftemperaturregelung. 3. Auf die Aufschaltung der Raumtemperatur konnte verzichtet werden, die Witterungsführung allein reichte vollauf. 4. PBM weist gegenüber der herkömmlichen witterungsgeführten Zweipunkt-Rücklauftemperaturregelung entscheidende Vorteile auf: Die mittlere Laufzeit kann wesentlich verlängert werden, d. h. verlängerte Lebensdauer der Wärmepumpe Der Niedertarifanteil kann wesentlich verbessert werden Die Wärmepumpe kann in den Pausen gezielt zur Wassererwärmung genutzt werden Einfachere Bedienung: «Meine Wärmepumpe muss bei C Aussentemperatur während 14 Stunden pro Tag laufen» ist wesentlich leichter zu verstehen als die Einstellung einer selbst für Fachleute nur schwer nachvollziehbaren Rücklauftemperatur- Heizkurve In Phase 2 sollen die Untersuchungen in Richtung weniger träge Gebäude und flinkere Wärmeabgabesysteme ausgedehnt werden. The primary goal of the control strategies in use thus far has been the optimal control of the heat delivery. The focus of our new approach including Pulse width modulation (PWM) is on the optimal operation of the heat generation utilizing the slow thermal dynamics of modern buildings. In phase 1 PWM was tested in a reference system. The results are summarized as follows: 1. One case study showed that PWM can be used easily in a new house built in typical solid construction. The time-delayed heating process did not result in any room temperature fluctuations. 2. The costs of the instrumentation and operation required was comparable to those of a system with for a conventional controller. 3. It was not necessary to use the room temperature as an input signal for the controller. The outdoor temperature alone was sufficient. 4. The advantages of the new approach utilizing PWM are numerous: 1

2 The average runtime per cycle can be extended significantly. The lifetime of the heat pump is thus increased. The low-tariff periods can be better utilized. The heat pump can be used selectively to heat the hot water. The operation is more transparent: Is easier to understand «My heat pump has to run 14 hours a day if it's C outside» than the justification of the return flow heating curve. Phase 2 of this project is to address the analysis of less slow buildings and more agile heat delivery systems. Problematik heutiger Regelkonzepte Einerseits sind die tiefen Heizwassertemperaturen heutiger Heizsysteme aus energetischer Sicht sehr zu begrüssen. Andererseits ergeben sich aber oft erhebliche regelungstechnische Probleme. Bei Klein-Wärmepumpenanlagen (mit oder ohne Speicher) werden heute üblicherweise witterungsgeführte Zweipunkt-Rücklauftemperaturregelungen eingesetzt. Diese sind so einzustellen, dass die witterungsgeführten Ein- und Ausschaltpunkte der Rücklauftemperatur im Mittel die geforderten Vor- und Rücklauftemperaturen ergeben. Hier die richtige Einstellung zu finden, ist sehr schwierig und bei sehr tiefen Rücklauftemperaturen oft sogar unmöglich. Die Hauptschwierigkeit besteht jedoch darin, dass heutige Regelkonzepte allein auf die Wärmeabgabe ausgerichtet sind und die Forderungen der Wärmerezugungsseite (tiefe Temperaturen, lange Laufzeiten, grosser Anteil Niedertarifstrom usw.) nur unzureichend erfüllen und oft von Zufälligkeiten abhängig sind. Neues Regelkonzept mit Pulsbreitenmodulation Der neue Ansatz, der Pulsbreitenmodulation (PBM) verwendet, will in erster Linie einen optimalen Betrieb der Wärmepumpe garantieren, unter Ausnutzung der thermischen Trägheit heutiger Gebäude und Wärmeabgabesysteme. Regelgrösse der neuen Regelstrategie ist nicht die Vorlauftemperatur oder die Rücklauftemperatur, sondern direkt die dem Gebäude zugeführte Wärmemenge. Entsprechend ist die «Heizkurve» hier nicht die Heizwassertemperatur in Funktion der Aussentemperatur, sondern die notwendige Wärmemenge für 24 Stunden in Funktion des Mittelwertes der Aussentemperatur während der letzten 24 Stunden. Stellgrösse ist die Laufzeit der Wärmepumpe. Referenzanlage Beim vorliegenden Projekt sollte die neue Regelstrategie mit Pulsbreitenmodulation an einer Wärmepumpenanlage mit einer Erdsonden-Wärmepumpe in Waltalingen erprobt werden (Bild 1). Die Anlage wurde bereits seit anfangs 1997 messtechnisch erfasst. Auffallend ist die starke Abweichung der gemessenen Daten von den Planungsdaten. Insbesondere der Wärmeleistungsbedarf und die erforderlichen Heizwassertemperaturen sind viel tiefer als geplant. Aufgrund von Praxis-Erfahrungen mit zahlreichen weiteren Anlagen ist davon auszugehen, dass Überdimensionierungen dieses Ausmasses heute die Regel sind. 2

3 Gebäude, Wärmepumpenanlage Planung Realität ❶ Wärmeleistungsbedarf SIA 384/2 = 6, kw ❶ Vorlauf-/Rücklauftemperatur bei 8 C Aussentemperatur Auslegung = 4/3 C ❶ Wärmeleistungsbedarf gemessen = 3, kw ❶ Vorlauf-/Rücklauftemperatur bei 8 C Aussentemperatur gemessen = 3/27 C ❶ Referenzanlage ist das mittlere Haus mit einer Energiebezugsfläche von 177 m² ❶ Träges Gebäude (übliche Massivbauweise mit normaler Wärmedämmung) mit trägem Wärmeabgabesystem (Fussbodenheizung) ❶ Erdsonden-Wärmepumpe ohne Speicher Bild 1: Referenzanlage Waltalingen. Funktionsbeschrieb des realisierten Reglers Den prinzipiellen Aufbau zeigt Bild 2. Angesteuert wird die Wärmepumpe durch folgende Befehle: WP-EIN gibt die Wärmepumpe (inkl. Wärmequellenpumpe) frei, die Einschaltung folgt dann über die WP-interne Sicherheitskette (Hochdruckpressostat, Niederdruckpressostat usw.) Ein-/Ausschaltbefehl für die Heizungsumwälzpumpe bei Heizbetrieb Ein-/Ausschaltbefehl für Ladepumpe bei Warmwasserbetrieb Die folgenden Eingangssignale werden benötigt: Aussentemperatur Verdampfereintrittstemperatur Verflüssigeraustrittstemperatur Warmwassertemperatur EW-Sperre Rückmeldung «Verdichter läuft» Als Eingabegrössen benötigt der Regler: Durch den WP-Lieferanten voreingestellt: WP-Kennlinie (Heizleistung in Funktion der Verdampfereintritts- und der Verflüssigeraustrittstemperatur) Angepasst durch den Betreiber (analog der Heizkurve bei einem witterungsgeführten Vorlauftemperaturregler): Energiekennlinie Zur Bestimmung der voraussichtlich notwendigen Wärme und zur Festlegung eines provisorischen WP-«Betriebsfahrplans» für den kommenden Tag werden folgende Angaben benötigt: Aussentemperaturmittelwert der vergangenen 24 Stunden Verdampfereintrittstemperatur in Funktion der Aussentemperatur (als erste Näherung) Wärmepumpen-Kennlinien Energiekennlinie Warmwassertemperatur-Sollwert Maximale Sperrzeit EW Maximale Anzahl Starts des Verdichters Tabelle mit Verteilung der Starts in Funktion der Aussentemperatur 3

4 Die Pulse (immer eine gerade Anzahl) werden folgendermassen über den Tag verteilt: % am frühen Morgen bei Niedertarif (aus Kostengründen) % am Abend bei Hochtarif (aus Komfortgründen) Wenn die Niedertarifzeit voll ausgeschöpft ist, muss das Verhältnis zu ungunsten des Niedertarifs verschoben werden Aufgrund dieser Angaben wird jeweils um 2: Uhr die Anzahl Starts für die folgenden 24 Stunden festgelegt. Der aktuelle 24-Stunden-Aussentemperaturmittelwert wird für ein Fenster über die letzten 24 Stunden laufend neu berechnet. Eine schnelle Änderung der Aussentemperatur wird also berücksichtigt, allerdings mit entsprechender Dämpfung. Mit diesem 24- Stunden-Aussentemperaturmittelwert wird laufend die aktuell notwendige Wärmezufuhr berechnet und damit die Startzeiten für die Wärmepumpe sowie die Soll-Pulslängen bestimmt. Die Feinregelung der Wärmezufuhr geschieht dann mittels Rückführung einer einfachen Wärmemessung, berechnet anhand der WP-Kennlinie. Durch Verlängerung oder Verkürzung der Pulsdauer wird die tatsächlich notwendige Wärmezufuhr geregelt. Die Bilanzierung erfolgt jeweils um 2: Uhr. Zu diesem Zeitpunkt ist dem Gebäude exakt die für die letzten 24 Stunden notwendige Wärmemenge zugeführt worden. Die Warmwasserbereitung erfolgt bevorzugt in der Niedertarifzeit sowie durch unterbruchsfreie Umschaltung auf Warmwasserbereitung am Ende des Pulses für den Heizbetrieb. Energiekennlinie angepasst durch Betreiber WP-Kennlinie voreingestellt durch WP-Lieferant PBM-Regler EW WP-EIN WW WQ FBH Bild 2: Prinzipschema des realisierten Reglers Raumtemperaturverlauf Bild 3 zeigt die Verteilung der Leistungs-Pulse mit der resultierenden Soll/Ist-Energie- Bilanzierung für zwei typische Tage. Da für die Berechnung des Energie-Sollwerts ein 24- Stunden-Fenster des Mittelwertes der Aussentemperatur laufend mitgeschoben wird, hat jede Änderung der Aussentemperatur eine sofortige, allerdings entsprechend gedämpfte Korrektur der Energiezufuhr zur Folge. Immer um 2. Uhr stimmt die zugeführte Wärme exakt mit der gemäss Energiekennlinie geforderten Wärme überein. Der Raumtemperaturverlauf ist mit PBM ebenso konstant wie mit einer herkömmlichen Regelung. Bild 4 zeigt die Häufigkeitsverteilung der Raumtemperatur in einer typischen Woche. 4

5 Temperatur [ C] Wohnen EG Aussen Süd : : : Leistung [kw] : : : WZ-FBH WZ-WW Elektr.-WP Wärme [kwh] : : : Sollwert Istwert Bild 3: Oben: Raum- und Aussentemperaturverlauf Uhr bis Uhr. Mitte: Leistungs-Pulse Fussbodenheizung, Warmwasser (Abgabe) und Elektroaufnahme. Unten: Soll/Ist-Energie-Bilanzierung Fussbodenheizung. 1% Häufigkeit [%] 8% 6% 4% 2% Wohnen EG % Raumtemperatur [ C] Bild 4: Die Häufigkeitsverteilung der Raumtemperatur mit PBM-Regelung in der typischen Woche 11/99 ( ) zeigt eine nahezu perfekte Einhaltung der Soll- Raumtemperatur von 21 C

6 Mittlerweile arbeitet die PBM-Regelung über zwei Heizperioden völlig problemlos. Die Raumtemperatur liegt konstant um den Sollwert von 21 C. Auch Aussentemperaturstürze und plötzliche Aussentemperaturanstiege wurden problemlos verkraftet. Auch die automatische Sommer-Winter-Umschaltung funktioniert einwandfrei. Mittlere Laufzeit der Wärmepumpe Aus Bild ist ersichtlich, dass die mittlere Laufzeit der Wärmepumpe bis zur Umstellung auf PBM bei 1 bis 2 Minuten lag. Mit PBM konnte die mittlere Laufzeit problemlos auf bis 9 Minuten (aussentemperaturabhängig) verlängert werden. Laufzeit [min/start] PBM 2-Pkt.-RL Aussentemperatur Süd [ C] Bild : Vergleich der mittleren Laufzeit der Wärmepumpe in Funktion der Aussentemperatur mit PBM (98/99) und mit witterungsgeführter Zweipunkt-Rücklauftemperaturregelung (97/98). Vergleich der Jahresarbeitszahlen Die Jahresarbeitszahl konnte zwar von 2,73 auf 3,24 verbessert werden (Gesamtanlage inkl. Heizungs- und Warmwasserpumpe). Eine signifikante Verbesserung durch PBM-Regelung lässt sich jedoch an der vorliegenden Referenzanlage nicht nachweisen, weil sich bereits vor Einschaltung der PBM-Regelung die Jahresarbeitszahl deutlich verbesserte, was aber offensichtlich auf den Ersatz der Sole- und der Heizungspumpe und die Laufzeitreduktion der Warmwasserpumpe zurückzuführen ist. Der Vergleich ist auch insofern problematisch, als bereits mit der herkömmlichen Zweipunkt-Rücklauftemperaturregelung die Heizungsumwälzpumpe abgeschaltet wurde, was normalerweise bei vergleichbaren Anlagen nicht möglich ist. Vorteile von PBM PBM weist gegenüber der herkömmlichen witterungsgeführten Zweipunkt-Rücklauftemperaturregelung entscheidende Vorteile auf: ❶ Die Nachteile der herkömmlichen witterungsgeführten Zweipunkt-Rücklauftemperaturregelung werden vermieden. PBM ermöglicht auch bei Schwachlast einen einwandfreien Betrieb der Wärmeabgabeseite. Und die Wärmepumpenseite kann dank PBM unter optimalen Bedingungen betrieben werden. 6

7 ❶ Die mittlere Laufzeit kann wesentlich verlängert werden, und damit verlängert sich auch die Lebensdauer der Wärmepumpe. Die vorliegende Anlage hatte mit Zweipunkt- Rücklauftemperaturregelung 4189 Anzahl Starts pro Jahr, mit PBM waren es nur noch 1446 (Kalenderjahr 1999). ❶ Die Heizungspumpe läuft nur wenn der Kompressor auf Heizbetrieb arbeitet, damit ergibt sich eine bessere Jahresarbeitszahl (im vorliegenden Fall kam dieser Vorteil nicht zum tragen, weil der trickreiche Vergleichsregler bereits eine Pumpenabschaltung vorsah). ❶ Einfachere Bedienung: «Meine Wärmepumpe muss bei C Aussentemperatur während 14 Stunden laufen» ist wesentlich leichter zu verstehen als die Einstellung einer selbst für Fachleute nur schwer nachvollziehbaren Rücklauftemperatur-Heizkurve. ❶ Der Niedertarifanteil kann wesentlich verbessert werden. Bei der vorliegenden Anlage betrug der Niedertarifanteil 9% (Kalenderjahr 1999). ❶ Die Wärmepumpe kann in den Pausen gezielt zur Wassererwärmung genutzt werden. ❶ Durch die 24-Stunden-Mittelwertbildung der Aussentemperatur und die einstellbare Heizgrenze ergibt sich eine sichere und problemlose Sommer-Winter-Umschaltung. Weiteres Vorgehen In Phase 1 wurde PBM an einem trägen Gebäude (übliche Massivbauweise mit normaler Wärmedämmung) mit trägem Wärmeabgabesystem (Fussbodenheizung) erprobt. Dieser Anlagetyp entspricht schätzungsweise 7 % der heute gebauten Wärmepumpenanlagen. In Phase 2 sollen die Untersuchungen in Richtung weniger träge Gebäude und Gebäude mit kleiner Speichermasse sowie in Richtung flinker Wärmeabgabesysteme ausgedehnt werden. Literatur [1] H. R. Gabathuler, H. Mayer, E. Shafai und R. Wimmer: Pulsbreitenmodulation für Kleinwärmepumpenanlagen. Schlussbericht Phase I. Bern, Bundesamt für Energie, Juli