Abschlussworkshop SUW-MFH 27.02.2018 in Düsseldorf Hardware-in-the-loop Untersuchungen Methodik, Randbedingungen, funktionale Systemanalyse und Simulationsvalidierung Daniel Eggert ISFH
Hardware-in-the-loop (HiL) Dynamische Echtzeit-Laboruntersuchung eines Systems anhand von repräsentativen Betriebssituationen unter realitätsgetreuen Randbedingungen Projektbezogen: Dynamische Echtzeit-Laboruntersuchung an solar unterstützten Wärmezentralen für ein Mehrfamilienhaus in Deutschland anhand von jahreszeitlich repräsentativen Tagen Ziel: Bewertung und Optimierung von Wärmezentralen
Hardware-in-the-loop (HiL)
HiL-Prüfstand am ISFH Gaskalorimeter Wärmezentrale
HiL-Prüfstand an der HSD Vorstellung während des Rundgangs
Simulationsrandbedingung: Gebäudehülle und Verteilnetz Gebäudehülle Mehrfamilienhaus (MFH) basierend auf TRNSYS-Modell aus MFH-re-Net [1] Abbildung in TRNSYS (ISFH) und MATLAB (HSD) 8 Wohneinheiten (8 / 16 HiL) Energiebedarf: Saniert, 50 kwh/m²a ( + Unsaniert, 180 kwh/m²a HiL) Verteilnetz 4-Leiter / 2-Leiter, abhängig von Wärmezentrale Ringnetzverteilung je Wohnung Radiatorheizung SW KI PR LR BR CR Kollektorfeld (Standardflachkollektor) 20 / 24 m² (HiL) 14 m² bis 33 m² (Jahressimulation) Süd [1] Oliver Mercker, Oliver Arnold, Ansätze zur Reduktion der konventionell erzeugten Wärmeverteilverluste in solar unterstützten Mehrfamilienhäusern, BMWi-Förderkennzeichen: 03ET1194A
Simulationsrandbedingung: Trinkwasserzapfprofil Zapfvolumen: 55 l/d (pro Wohneinheit), 33 l/d (pro Person) Gleichzeitigkeit: ca. 20% Für Jahressimulation realitätsnahes globales Jahresprofil generiert [2] Für HiL ein repräsentatives Tagesprofil ausgewählt Kaltwassertemperatur: konstant 10 C Warmwassertemperatur: minimal 60 C Warmwasser-Zapftemperatur: 45 C Zirkulationsrücklauftemperatur: minimal 55 C, sofern keine andere zulässige Maßnahme zur Legionellen-Prävention gegeben Zirkulationszeit: 24 h Zirkulationsvolumenstrom: 150 l/h (8WE) [2] Jordan U., Vajen K., DHW-calc: Computerprogramm zur Generierung von Trinkwasser- Zapfprofilen auf statistischer Basis, Universität Kassel
Simulationsrandbedingung: Wetterdaten Untersuchung bei typischen Betriebsbedingungen repräsentative meteorologischen Daten notwendig Standort: Zürich, Meteonorm Für HiL Auswahlkriterien für repräsentative Tage Typtage Tagesmittelwerte der Umgebungstemperatur clearness factor bzw. K T (= Globalbestrahlungsstärke / Extraterrestrische Strahlung) Auswahl Auswahlverfahren mit Clusteranalyse Typtage für: Winter / Sommer / Übergangszeit jeweils sonnig / bedeckt Zusätzlicher Tag mit höchster Heizlast sowie sonnigster warmer Tag für Extremwetterlage
Konzept 1: Frischwasserstation Solarbeladung mit 3-Wege Umschaltventil
Konzept 1: Frischwasserstation mit Zirkulationsentkopplung und Ultrafiltration Zirkulationsentkopplung mechanischer Filter
Konzept 2: Durchlaufsystem + monovalenter WW-Speicher
Konzept 8a: 2-Leitersystem mit direkt nachgeheiztem bivalenten Pufferspeicher
Konzept 8b: 2-Leitersystem mit Solarspeicher Elektrische Nachheizung
Konzept 10: Dezentrales System
HiL-Systemanalyse
Qualitativer Vergleich 1200 1100 1000 120 110 100 Typtag 250 (sonniger Sommertag) Solarkreis 900 800 90 80 Massenstrom (Mess) Massenstrom in kg/h 700 600 500 400 300 70 60 50 40 30 Temperatur in C Massenstrom (Sim) Temperatur VL (Mess) Temperatur VL (Sim) Temperatur RL (Mess) Temperatur RL (Sim) 200 20 Temperatur Solarspeicher oben (Mess) 100 0 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Temperatur Solarspeicher oben (SIM) Zeit in h
Qualitativer Vergleich 60 55 60 55 Typtag 112 (sonniger Übergangstag) 50 45 50 45 Pufferspeicher TSS9_185cm (Mess) TSS9_185cm (Sim) Temperatur in C 40 35 30 25 20 40 35 30 25 20 Leistung in kw TSS7_151cm (Mess) TSS7_151cm (Sim) TSS6_122cm (Mess) TSS6_122cm (Sim) TSS5_92cm (Mess) TSS5_92cm (Sim) TSS3_47cm (Mess) TSS3_47cm (Sim) 15 15 TSS1_7cm (Mess) 10 10 TSS1_7cm (Sim) P_Erdgas (Mess) 5 5 P_Erdgas (Sim) 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 reale Startzeit: 16:50Uhr, 24.07.2017 Simulationszeit in h
Funktionale Analyse Kesseltakten 6000 Wärme an Heizkreis TWW-Speicher Beladung 100 90 Typtag 071 (sonniger Wintertag) Massenstrom in kg/h / Volumenstrom in l/h 5000 4000 3000 2000 1000 80 70 60 50 40 30 10 Temperatur in C Gastherme Volumenstrom Erdgas Massenstrom Kesselkreis Temperatur VL Kesselkreis eingeschränkte Modulation während TWW-Speicher Beladung: 20 erhöhtes Kesseltakten verringerte Lebensdauer 0 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Zeit in s
Funktionale Analyse solare Rücklaufanhebung verminderte solare Rücklaufanhebung durch träges Mischventil
Funktionale Analyse Umschichtung solare Wärme keine Umschichtung solarer Wärme in den TWW-Speicher: hydraulisch möglich, regelungstechnisch bisher nicht
Funktionelle Analyse Potential von Systemoptimierungen 0.08 0.07 Regelungsoptimierungen Endenergieeinsparung fsav 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 VPlus1: Optimierte Regelung Regelung solare Rücklaufanhebung solare Rücklaufanhebung VPlus2: Komplett komplett modulierender Kessel Kessel VPlus3: Umschichtung solare solare Wärme Vplus: Kombination Kombination 0.00 0 5 10 15 20 25 30 35 Kollektorfläche in m²
Quantitativer Vergleich Energiebilanz der 7 Typtage (ohne extremen Sommertag) 3000 Emulation Simulation Kessel Solar TWW-Speicher Wärmelieferung Bilanz 2700 Energie in kwh / Nutzungsgrad in % 2400 2100 1800 1500 1200 900 600 300 0-300 90 90 497 563 173 169 56 61 25 23-12 -14 194 203-36 -34 95 97 113 115-65 -45
HiL - Zusammenfassung Vorteile ggü. Feldversuchen, reinen Simulationen oder Komponentenuntersuchungen Reale dynamische Verhaltensuntersuchung des Gesamtsystems Realitätsgetreue Abbildung der Randbedingungen Reproduzierbare, valide Ergebnisse Variable orts- und gebäudespezifische Betrachtungen Jahreszeitunabhängig Zeitersparnis Laborbedingungen (Mess- und Analysemöglichkeiten; keine Nutzer) Prüfstände und Untersuchungsverfahren erfolgreich umgesetzt Optimierungspotentiale können erkannt und ermittelt werden Validierungen der Simulationsmodelle erfolgreich Qualitativ: sehr gute Übereinstimmung des Systemverhalten zwischen Messung und Simulation Quantitativ: Sehr gute Übereinstimmung der Energiebilanzen
FKZ: 03ET1212B Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Simulationsrandbedingung: Trinkwasserzapfprofil Häufigkeit in h/a 200 160 120 80 40 0 157 152 155 124 85 6665 47 35 2523 18 0 0 5 6 21 21 2 2 3 2 0 1 0 0 1 0 Globales Zapfprofil (gelb) erzeugt mit DHW-calc Minutenzeitschritte 365 Tage (ohne Urlaub) Zapfprofil für 8 WE, 440 l/d Gleichzeitigkeit ca. 20 % Min. Volumenstrom ca. 100 l/h Max. Volumenstrom (10 min): ca. 1450 l/h Max. Zapfleistung (10 min): 59 kw Max. Entnahme (10 min): 9.8 kwh Volumenstrom in l/h Vergleich mit Einzelzapfprofil (blau) Unterschiede im Bereich 1 200 l/h
HiL-Randbedingung Wetter Jahresmitteltemperatur in C 10.0 9.0 8.0 7.0 ungeeignet bedingt geeignet geeignet 9.5 8.9 9.0 8.7 1120 1087 1074 1001 1300 1200 1100 1000 Globalstrahlungssumme in kwh/m²a 6.0 Potsdam (TRY 2010) Potsdam (Meteonorm) Würzburg (TRY 1984) Zürich (Meteonorm) 900 mittl. Außentemperatur Einstrahlung Zürich als Referenz, ggf. weitere Standorte als Variationsmöglichkeiten 28