Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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In den ersten zwei Phasen des Projekts wurden drei Arten von PBM-Reglern (PBM: Pulsbreitenmodulation) entwickelt:- Energiekennlinienbasierter PBM-Regler: Die Energiezufuhr erfolgt aufgrund der Energiekennlinie (24-Stunden-Mittelwert des Wärmebedarfs in Funktion der Aussentemperatur)- Laufzeitkennlinienbasierter PBM-Regler: Die Energiezufuhr erfolgt aufgrund der Laufzeitkennlinie (Energiekennlinie dividiert durch Heizleistung aus der Wärmepumpenkennlinie)- Modellbasierter PBM-Regler: Die Energiezufuhr erfolgt aufgrund eines Modells der thermischen Trägheit des Gebäudes koordiniert mit dem zukünftigen Wettergeschehen (prädiktiver Regler).Alle drei PBM-Regler konnten in der zweiten Phase des Projekts problemlos in handelsübliche Reglergeräte der Firmen SATAG Thermotechnik AG und Siemens Building Technologies AG implementiert und an einem Wohnhaus erfolgreich erprobt werden.Das Hauptziel der vorliegenden dritten Phase des Projekts war es, die drei PBM-Regelkonzepte sowohl untereinander als auch mit der witterungsgeführten Rücklauftemperaturregelung bezüglich Komfort und Energieeffizienz am dynamischen Prüfstand des Instituts für Mess- und Regeltechnik der ETH-Zürich unter gleichen Randbedingungen detailliert zu vergleichen (Ranking).Zu diesem Zweck musste zunächst für die real am Prüfstand vorhandene Sole-Wasser-Wärmepumpe sowohl ein fiktives Haus als auch eine fiktive Erdsonde emuliert (vorgetäuscht) werden. Hierfür wurden die thermische Trägheit des Hauses und das dynamische Verhalten der Erdsonde durch entsprechende Differentialgleichungen modelliert. In Echtzeit berechnen diese Simulationsmodelle die Sollwertverläufe für die Eintrittstemperaturen und die Volumenströme der Wärmepumpe. Eine hierarchisch strukturierte Regelung des Prüfstands sorgt dafür, dass diese Schnittstellengrössen der Wärmepumpe den simulierten Sollwertverläufen möglichst gut folgen.Da sowohl die Prüfstandsregelung als auch die Haus- und Erdsonden-Emulation am Prüfstand im Rahmen der Phase 3 des Projekts realisiert werden mussten, wurde zu Beginn des Projekts entschieden, die Untersuchungen hauptsächlich in der HIL-Testumgebung (HIL: Hardware in the loop) durchzuführen. Bei dieser Testvariante wird ? im Unterschied zur Untersuchung am Prüfstand ? neben der Haus- und Erdsonden-Simulation zusätzlich die Wärmepumpe simuliert und die notwendigen Signale direkt dem Reglergerät mit der implementierten Reglervariante zur Verfügung gestellt. Diese Untersuchungen wurden erfolgreich durchgeführt.Parallel dazu wurden sowohl die Prüfstandsregelung als auch die Emulationen des Hauses und der Erdwärmesonde erfolgreich am Prüfstand realisiert. Dadurch wurde es möglich, wenigstens noch den witterungsgeführten Rücklauftemperaturregler exemplarisch am Prüfstand mit der Gebäudeemulation zu untersuchen.Aus den HIL-Untersuchungen können die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden:- Der modellbasierte PBM-Regler schnitt sowohl bezüglich Niedertarifanteil als auch Energieverbrauch und Einhaltung des Raumtemperatursollwerts sehr gut ab. Der Grund dafür ist die Tatsache, dass dieser Regler einen Beobachter verwendet, der die Raumtemperatur basierend auf Rücklauftemperatur schätzt und prädiktiv für die Regelung verwendet. Der Regler war insofern bevorzugt, als das verwendete Modell im Beobachter mit dem für die Untersuchungen ausgewählten Modell für die Gebäudeemulation (fiktiven Realität) praktisch übereinstimmte. Im realen Einsatz, falls das im Beobachter verwendete Modell das reale Gebäudeverhalten weniger gut beschreiben sollte, muss mit einer Verschlechterung des Regelverhaltens gerechnet werden.- Der Zweipunkt-Regler wies ebenfalls ein gutes Regelverhalten und damit tiefen Heizenergieverbrauch auf. Aber bezüglich Niedertarifanteil schnitt er eindeutig am schlechtesten ab. Dieser Regler war insbesondere durch das einfache Gebäudemodell für die Simulation der _fiktiven Realität_ bevorzugt. Das Modell zeigte vor allem bei Präsenz der Strahlung und abgestellter Wärmepumpe eine unrealistisch starke Kopplung zwischen der Rücklauf- und der Raumtemperatur.- Der laufzeitkennlinienbasierte Regler schnitt bezüglich Niedertarifanteil sehr gut ab. Da jedoch die Laufzeitkennlinie und die _gemischte Aussentemperatur_ noch nicht optimal eingestellt waren, wies er zeitweise nur ein mässig gutes Regelverhalten auf.- Auf Grund der nachträglichen Analyse der aufgezeichneten Daten wird angenommen, dass beim energiekennlinienbasierten Regler ein Programmierfehler vorlag. Er wies deshalb häufig nicht das von ihm erwartete Regelverhalten auf.- Aufgrund der genannten Umstände ist ein objektives Ranking leider nicht möglich.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Gabathuler AG
Eidg. Technische Hochschule
SATAG Thermotechnik AG
Siemens Landis & Stäfa
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gabathuler,Hans-Ruedi
Shafai,Esfandiar
Mayer,Hans
Frei,Roger
Illi,Bruno
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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In den ersten zwei Phasen des Projekts wurden drei Arten von PBM-Reglern (PBM: Pulsbreitenmodulation) entwickelt (vgl. [7] und [8]):
• Energiekennlinienbasierter PBM-Regler: Die Energiezufuhr erfolgt aufgrund der Energiekennlinie (24-Stunden-Mittelwert des Wärmebedarfs in Funktion der Aussentemperatur)
• Laufzeitkennlinienbasierter PBM-Regler: Die Energiezufuhr erfolgt aufgrund der Laufzeitkennlinie (Energiekennlinie dividiert durch Heizleistung aus der Wärmepumpenkennlinie)
• Modellbasierter prädiktiver PBM-Regler: Die Energiezufuhr erfolgt aufgrund eines Modells der thermischen Trägheit des Gebäudes koordiniert mit dem zukünftigen Wettergeschehen. Diese Regler wurden problemlos in handelsübliche Reglergeräte der Firmen Viessmann (Schweiz) AG Geschäftsbereich SATAG Thermotechnik und Siemens Building Technologies AG implementiert und an einem Wohnhaus erfolgreich erprobt. In der dritten Phase des Projekts wurden sie dann in einer Simulationsumgebung als „hardware in the loop“ (HIL) sowohl untereinander als auch mit der konventionellen witterungsgeführten Rücklauftemperaturregelung bezüglich Komfort und Energieeffizienz verglichen (vgl. [17]). Für einen fairen Vergleich der PBM-Regler an einer realen Wärmepumpe wurde im Rahmen der dritten Phase des Projekts ebenfalls ein dynamischer Sole/Wasser-Wärmepumpenprüfstand fertig entwickelt, der sowohl die Emulation der thermischen Trägheit eines beliebigen (fiktiven) Hauses als auch die Emulation des transienten Verhaltens einer Quelle (Solekreislauf) ermöglicht. Durch die Emulation ist es nun möglich, sowohl auf der Seite der Last (Heizkreislauf) als auch auf der Quellenseite reproduzierbar die gleichen Randbedingungen dem Regler und der zu untersuchenden Wärmepumpe vorzutäuschen und somit reproduzierbar Untersuchungen an der Wärmepumpe durchzuführen. Ausserdem bietet dieser Prüfstand folgende zusätzliche Vorteile an: • Die Suche nach einem geeigneten Objekt fällt aus.
• Die Untersuchungen können ausserhalb der Heizperiode durchgeführt werden. Im Rahmen der Phase 4 des Projekts wurde der modellbasierte prädiktive Regler zu einem selbsteinstellenden (adaptiven) Regler weiterentwickelt. Für die Wetterprognose wurde die Anbindung dieses Reglers an die Wetterdaten der MeteoSchweiz realisiert. Ausserdem wurde der Regler durch den Einbezug der Warmwasseraufbereitung erweitert. Der so erweiterte modellbasierte prädiktive PBM-Regler wurde am dynamischen Wärmepumpenprüfstand erprobt und mit dem laufzeitkennlinienbasierten PBM-Regler verglichen. Folgende Vorteile des modellbasierten prädiktiven PBM-Reglers können hervorgehoben werden:
• Dieser Regler funktioniert selbsteinstellend. Deshalb ist eine Einstellung vor der Inbetriebnahme nicht nötig. Diese Eigenschaft ist insbesondere während der Trocknungsphase eines Gebäudes von Vorteil, bei der eine Nacheinstellung wegfällt.
• Dieser Regler reduziert die Heizkosten um ca. 10 % durch einen höheren Niedertarifanteil ohne eine Komforteinbusse. Im Vergleich zu einem konventionellen witterungsgeführten Zweipunktregler entfällt die Abhängigkeit zwischen Zeitprogramm und Einstellung der Kennlinie, da der Regler immer die Heizpulse für die vorhandenen Randbedingungen optimal verteilt.
• Durch die Anbindung an die Wetterdaten der MeteoSchweiz kann der Regler mit einer professionell erstellten und zuverlässigen Wetterprognose arbeiten. Wir bedanken uns an dieser Stelle bei MetoSchweiz für die gute Zusammenarbeit und für die zur Verfügung gestellten Daten. Diese Arbeit ist im Auftrag des Bundesamtes für Energie entstanden. Für den Inhalt und die Schlussfolgerungen sind ausschliesslich die Autoren verantwortlich.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Eidgenössische Technische Hochschule, Institut für Mess- und Regeltechnik
Hans Mayer Gabathuler AG, Beratende Ingenieure
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Bianchi,Mikael
Shafai,Esfandiar
Gabathuler,Hans Rudolf
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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In the first two phases of the project, three versions of heating control strategies utilizing pulse-width modulation (PWM) were developed (see [7] and [8]):
• PWM controller based on the characteristic curve for the heating energy,
• PWM controller based on the characteristic curve for the heating duration, and
• Model-based predictive PWM control. Phase 2 of the project showed that it is not difficult to implement all three versions of the PWM algorithm in commercially available controllers of the two companies Viessmann (Switzerland) AG Division SATAG Thermotechnik as well as Siemens Building Technology AG, and that they work successfully in a single-- family house equipped with a heat pump heating system. In Phase 3 of the project a representative comparison was made by “hardware-in-the-loop simulations” of the three versions of the PWM approaches and the conventionally available relay-type controller approach with respect to comfort, energy efficiency, and costs under the same conditions (see [17]). In Phase 3 a test bench for testing brine-to-water heat pumps was developed in order to be able to conduct comparisons of the controllers in a real (not simulated) heat pump. This test bench has the capability of emulating a house as well as an earth probe for the real brine-to-water heat pump installed at the test bench. Through the emulation it is now possible to conduct tests on a brine-to-water heat pump to compare fairly the controllers under the same reproducible conditions on both, the source side and the heating circulation side of the heat pump. This test bench shows the following advantages also:
• There is no need for seeking an appropriate object (house) for testing purposes.
• There is no restriction on tests being conducted only during the heating period of the year. In Phase 4 of the project the model-based predictive controller has been extended to an adaptive controller by utilizing an algorithm for the on-line identification of the parameters of the house model. The controller is now able also to access and use the weather forecast data of the SwissMeteo for the prediction of the outdoor temperature as well as the solar radiation. Moreover, the controller has been extended to handle the warmwater conditioning. The advantages of the extended model-based predictive controller are:
• The controller operates adaptively. A great advantage of this capability is that there is no need to readjust the controller manually during the starting-up operation or especially after the drying-out phase of a newly built house.
• This controller reduces the heating costs by approximately 10 %. Without sacrificing comfort, this is achieved mainly by increasing the heating rate during the periods of a lower electricity tariff. The distribution of the heating portions is determined automatically by the controller algorithm for any given conditions, in contrast to the conventionally used relay-type controller that has to seek compromises between adjusting the heating characteristics and the timing program.
• For the prediction of the outdoor temperature as well as the solar radiation, the controller is able to access and use the reliable weather forecast data of SwissMeteo. We thank SwissMeteo for their cooperation and for providing the project with the weather forecast data.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Eidgenössische Technische Hochschule, Institut für Mess- und Regeltechnik
Hans Mayer Gabathuler AG, Beratende Ingenieure
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Bianchi,Mikael
Shafai,Esfandiar
Gabathuler,Hans Rudolf
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