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Research unit
SFOE
Project number
SI/501839
Project title
LowEmi - Development of a new low-cost low-emission micro-scale pellet stove with advanced process control

Texts for this project

 GermanFrenchItalianEnglish
Key words
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Short description
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Final report
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Inserted texts


CategoryText
Key words
(English)
Low Emissions, Wood Combustion, Sensor, Process Control
Short description
(German)
Für neue und energiesanierte Gebäude mit geringem Heizenergiebedarf soll ein Low-Cost-Mikro-Pelletofen (1 bis 4 kW) entwickelt werden. Er soll auf neuen Technologien der Pelletzuführung, des Rostsystems und einer CFD-optimierten gut isolierten Brennkammer basieren. Sensoren für CO/HC mit verbesserter Langzeitstabilität in Verbindung mit einer optimierten Regelstrategie sollen für niedrige Emissionen von Start bis Stopp sorgen.
Short description
(English)
For new and energy-refurbished buildings with low heating energy demand, a low-cost micro pellet stove (1 to 4 kW) is to be developed. It will be based on new technologies of pellet feeding, grate system and a CFD optimized, well-insulated combustion chamber. Sensors for CO/HC with improved long-term stability in conjunction with an optimized control strategy should ensure low emissions from start to stop.
Final report
(German)
Moderne Häuser oder Häuser, die energetisch saniert wurden, sind sehr gut isoliert und benötigen entsprechend weniger Leistung für die Beheizung. Herkömmliche Pelletöfen mit einer Leistung von 10 kW sind überdimensioniert und erlauben keinen kontinuierlichen Betrieb, ohne die Raumtemperatur zu überhöhen. Um den Markt der Neubauten und energetisch sanierten Häuser für Pelletöfen zugänglich zu machen, wurde im Rahmen von diesem ERA-NET Bioenergy Projekt ein Pelletofen (MPS Micro Pellet Stove) entwickelt mit 4 kW Nennleistung und einer fortschrittlichen Regelstrategie. Die Regelstrategie stellt mittels der Abgastemperaturmessung am Brennkammeraustritt und einem CO-Sensor durch automatisches Optimieren der Sekundärluftmenge sicher, dass der Ofen immer mit maximiertem Wirkungsgrad und tiefen CO Emissionen betrieben wird.

Die Auslegung des MPS erfolgte durch BIOS Bioenergiesysteme GmbH, der Ofen wurde gebaut durch RIKA Innovative Ofentechnik GmbH, LAMTEC Mess- und Regeltechnik für Feuerungen GmbH & Co. KG steuert die CO-Sensoren bei, die Fachhochschule Nordwestschweiz war zuständig für die Entwicklung der fortschrittlichen Regelstrategie.

Zur Entwicklung der Regelstrategie wurde ein Modell entwickelt, mit dem das Verhalten eines Pelletofens simuliert werden kann. Mithilfe dieses Modells können mehrere Stunden Betrieb des Ofens in wenigen Sekunden simuliert werden. Die Entwicklung einer Regelstrategie kann so effizienter durchgeführt werden, da nur Regelstrategien auf dem Ofen getestet werden, die sich im Modell bewährt hatten. Vergleiche zwischen Modell und realem Ofen haben gezeigt, dass das Modell das Verhalten des Realen Ofens wiedergeben kann und so für die Reglerentwicklung verwendet werden kann.

Je tiefer der Restsauerstoffgehalt im Abgas, desto höher ist der Wirkungsgrad es Ofens. Durch nicht perfekte Mischung von Luft mit Brennstoff steigen die CO-Emissionen bei tiefem Restsauerstoffgehalt stark an. Dieser CO-Anstieg (CO-Kante) begrenz das Betriebsfenster des Pelletofens. Ziel der Regelstrategie ist es, den Ofen möglichst nahe an der CO-Kante zu betreiben ohne erhöhte CO Emissionen.

Die für dieses Projekt entwickelte NEO-Regelstrategie verwendet die Abgastemperaturmessung am Brennkammeraustritt als Regelgrösse für die Klappenregelung. Die Abgastemperaturmessung am Brennkammeraustritt und der CO-Sensor von Lamtec wird für die Sollwertfindung verwendet. Hierzu erzeugt die Regelstrategie einen CO-Verlauf über der Abgastemperatur und identifiziert darin die CO-Kante. Wurde die CO-Kante gefunden, wird die entsprechende Abgastemperatur abzüglich einer Sicherheitsmarge als Sollwert für die Regelung verwendet.

Die NEO-Regelstrategie ist in der Lage den optimalen Betriebspunkt zu finden. In Testabbränden wurde ein Wirkungsgrad von 93% bei Nennlast ermittelt, dies bei gleichzeitig tief bleibenden CO-Emissionen von 66 mg/m3N. Zudem kann die Regelstrategie verändernde Umgebungsbedingungen kompensieren durch eine angepasste Sekundärluftklappenposition.
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Final report
(English)
Modern houses or houses that have been energetically renovated are very well insulated and therefore require less power for heating. Conventional pellet stoves with an output of 10 kW are oversized and do not allow continuous operation without increasing the room temperature. In order to make the market for new buildings and energetically renovated houses accessible for pellet stoves, a pellet stove (MPS Micro Pellet Stove) with a nominal output of 4 kW and an advanced control strategy was developed as part of this ERA-NET Bioenergy project. The control strategy uses the exhaust gas temperature measurement at the combustion chamber outlet and a CO sensor to automatically optimize the amount of secondary air to ensure that the furnace is always operated with maximum efficiency and low CO emissions.

The MPS was designed by BIOS Bioenergiesysteme GmbH, the furnace was built by RIKA Innovative Ofentechnik GmbH, LAMTEC Mess- und Regeltechnik für Feuerungen GmbH & Co. KG contributed the CO sensors, and the Northwestern Switzerland University of Applied Sciences was responsible for developing the advanced control strategy.

To develop the control strategy, a model was developed with which the behavior of a pellet stove can be simulated. With the help of this model, several hours of operation of the furnace can be simulated in a few seconds. The development of a control strategy can be carried out more efficiently because only control strategies that have proven themselves in the model are tested on the furnace. Comparisons between the model and the real furnace have shown that the model can reproduce the behavior of the real furnace and can thus be used for controller development.

The lower the residual oxygen content in the exhaust gas, the higher the efficiency of the furnace. If the air and fuel are not perfectly mixed, the CO emissions increase sharply when the residual oxygen content is low. This CO increase (CO edge) limits the operating window of the pellet stove. The aim of the control strategy is to operate the furnace as close as possible to the CO edge without increasing CO emissions.

The NEO control strategy developed for this project uses the exhaust gas temperature measurement at the combustion chamber outlet as a control variable for flap control. The exhaust gas temperature measurement at the combustion chamber outlet and the CO sensor from Lamtec are used to determine the setpoint. To do this, the control strategy generates a CO profile over the exhaust gas temperature and identifies the CO edge from it. Once the CO edge has been found, the corresponding exhaust gas temperature minus a safety margin is used as the target value for the control.

The NEO control strategy is able to find the optimum operating point. In test burns, an efficiency of 93% was determined at nominal load, while at the same time CO emissions remained low at 66 mg/m3N. In addition, the control strategy can compensate for changing ambient conditions by adjusting the position of the secondary air flap.
Final report
(French)
Les maisons modernes ou les maisons qui ont fait l'objet d'une rénovation énergétique sont très bien isolées et nécessitent en conséquence moins de puissance pour le chauffage. Les poêles à pellets traditionnels d'une puissance de 10 kW sont surdimensionnés et ne permettent pas un fonctionnement continu sans surchauffer la température ambiante. Afin de rendre le marché des nouvelles constructions et des maisons rénovées énergétiquement accessible aux poêles à pellets, un poêle à pellets (MPS Micro Pellet Stove) d'une puissance nominale de 4 kW et doté d'une stratégie de régulation avancée a été développé dans le cadre de ce projet ERA-NET Bioenergy. Grâce à la mesure de la température des gaz d'échappement à la sortie de la chambre de combustion et à un capteur de CO, la stratégie de régulation garantit, par l'optimisation automatique de la quantité d'air secondaire, que le poêle fonctionne toujours avec un rendement maximal et avec de faibles émissions de CO.

La conception du MPS a été réalisée par BIOS Bioenergiesysteme GmbH, le four a été construit par RIKA Innovative Ofentechnik GmbH, LAMTEC Mess- und Regeltechnik für Feuerungen GmbH & Co. KG a fourni les capteurs de CO et la Fachhochschule Nordwestschweiz a été chargée de développer la stratégie de régulation avancée.

Pour développer la stratégie de régulation, un modèle a été mis au point, permettant de simuler le comportement d'un poêle à pellets. Ce modèle permet de simuler plusieurs heures de fonctionnement du poêle en quelques secondes. Le développement d'une stratégie de régulation peut ainsi être effectué de manière plus efficace, car seules les stratégies de régulation qui ont fait leurs preuves dans le modèle sont testées sur le poêle. Des comparaisons entre le modèle et le four réel ont montré que le modèle peut reproduire le comportement du four réel et peut donc être utilisé pour le développement de régulateurs.

Plus la teneur en oxygène résiduel dans les gaz d’échappement est faible, plus le rendement du four est élevé. En raison d'un mélange imparfait de l'air et du combustible, les émissions de CO augmentent fortement lorsque la teneur en oxygène résiduel est faible. Cette forte augmentation de CO (seuil de CO) limite la plage de fonctionnement du poêle à pellets. L'objectif de la stratégie de régulation est de faire fonctionner le poêle le plus près possible du seuil de CO sans augmenter les émissions de CO.

La stratégie de régulation NEO développée pour ce projet utilise la mesure de la température des gaz d’échappement à la sortie de la chambre de combustion comme grandeur de régulation pour le réglage du clapet. La mesure de la température des gaz d'échappement à la sortie de la chambre de combustion et le capteur de CO de LAMTEC sont utilisés pour déterminer la valeur de consigne. Pour cela, la stratégie de régulation génère une courbe de CO en fonction de la température des gaz d’échappement et identifie le seuil de CO. Une fois le seuil de CO trouvé, la température des gaz d’échappement correspondante, moins une marge de sécurité, est utilisée comme valeur de consigne pour la régulation.

La stratégie de régulation NEO est en mesure de trouver le point de fonctionnement optimal. Des tests de combustion ont permis de déterminer un rendement de 93% à charge nominale, tout en maintenant les émissions de CO à un niveau faible de 66 mg/m3N. De plus, la stratégie de régulation peut compenser les changements de conditions ambiantes en adaptant la position des clapets d'air secondaire.