Schlussbericht
(Deutsch)
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Ziel der Kurztestmethode ist es, im Hinblick auf eine Betriebsüberwachung und -optimierung ein Diagnoseverfahren für Fehlfunktionen einer Wärmepumpenanlage zu entwickeln. Durch das Erfassen möglichst weniger Messgrössen (Temperaturen, ev. Drücke) soll auf Fehlfunktionen geschlossen werden. In früheren Projektphasen wurden Modelle für das Wärmeverteilsystem, die Wärmeabgabe und das Gebäude entwickelt. Hier wird die Wärmepumpe als Teilsystem näher betrachtet, und es werden zwei Überwachungssysteme sowie ein Simulationsmodell vorgestellt. Die Überwachungssysteme dienen dazu, den Zustand der Wärmepumpe bei der Inbetriebnahme und während des Betriebes zu erfassen und Fehler frühzeitig zu erkennen. Damit wird eine Optimierung zwischen Abnahme der Wärmepumpe und Schlussprüfung wie auch eine zustandsorientierte Instandhaltung während der ganzen Lebensdauer der Wärmepumpe ermöglicht. Eine zustandsorientierteInstandhaltung ist kostengünstiger als feste Service-Intervalle oder ausfallbedingte Reparaturen mit Stillstandszeiten.Das erste Überwachungssystem HeatWatch liefert physikalische Parameter und Kennzahlen der Wärmepumpe, aus denen die Fehler interpretiert werden können. Für die Parameteridentifikation im stationären Zustand muss ein lineares Gleichungssystem online gelöst werden. Diese Variante eignet sich dank ihrem einfachen Aufbau und einem sehr geringen Aufwand während der Trainingsphase für eine schnelle industrielle Umsetzung.Beim zweiten Überwachungssystem FuzzyWatch werden direkt die aktuellen Fehlercodes angezeigt. Dank einem universellen Modellansatz kann dieses Überwachungssystem ohne grossen Aufwand auf beliebige Wärmepumpentypen angepasst werden. Die Anzahl der benötigten Sensoren kann während der Trainingsphase durch einen automatischen Algorithmus minimiert werden.Für die Parameteridentifikation muss ein Least-Squares-Problem online gelöst werden. Für die Klassifikation der Fehler aus den Parametern werden statistische Ansätze wie Fuzzy-Logik und neuronale Netze verwendet. Der experimentelle Aufwand während der Trainingsphase ist höher, da neben den Nominaldaten auch die Daten für verschiedene Fehlerfälle auf einem Prüfstand ermittelt werden müssen. Mit geeigneten Methoden kann dieser Aufwand jedoch reduziert werden. Die Überwachungssysteme wurden anhand von Messdaten eines Einfamilienhauses, auf zwei Prüfständen und anhand von Simulationsdaten getestet. Mit einem detaillierten physikalischen Wärmepumpen-Simulationsmodell können Daten für den Nominalfall wie auch für verschiedene Fehlerfälle generiert werden. Ein neuer Prüfstand für industrielle Sole/Wasser-Wärmepumpen wurde am Institut für Mess- und Regeltechnik der ETH Zürich aufgebaut, mit dem die Test-Wärmepumpe unter realistischen Bedingungen betrieben werden kann. Die Test-Wärmepumpe wurde mit zusätzlichen Aktuatoren und Sensoren ausgerüstet, um übliche Fehlerfälle simulieren zu können.Die Ergebnisse sind im Abschnitt 1.4 zusammengefasst.Die vorliegenden Überwachungssysteme können nicht nur auf Wärmepumpen, sondern auch auf Kälteanlagen, Heiz- oder Klimatisierungssysteme angewandt werden. Bei grossen Anlagen würden die Einsparungen durch einen optimalen Betrieb und durch eine zustandsorientierte Instandhaltung noch stärker ins Gewicht fallen.Bemerkung: Der vorliegende Bericht wurde zweisprachig verfasst. Die Kapitel 2 bis 7 wurden aus der Dissertation übernommen, welche im Frühling 2002 abgeschlossen und publiziert wird [Zogg 02]. Am Anfang der englischen Kapitel befindet sich jeweils eine deutsche Kurzfassung.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Zogg,David
Shafai,Esfandiar
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Abstract:The purpose of the short-term rating method is to develop a fault detection and diagnosis procedure for operational monitoring and optimization of a heat pump heating system. The faults are to be classified on the basis of the fewest measurements possible which might include temperature and maybe pressure measurements. As a result of former project phases, models of the heat distribution system, the heat emission system as well as of the building have been developed. Here, the heat pump as a subsystem is considered, and two fault diagnosis systems as well as a simulation model are developed. With these diagnosis systems, the state of a heat pump is known both at start-up and during the operation, and any faults can be recognized early. As an additionional benefit to the optimization at start-up, a state-oriented maintenance helps to minimize costs in the long run, over those incurred with fixed service intervals or with repairs due to complete failure, accompanied by downtime.The first fault diagnosis system, called HeatWatch, yields physical parameters and characteristics of the heat pump, which are used to interpret the faults manually. For parameter identification during steady state, a linear equation system has to be solved online. This version is designed for a fast industrial realization because of a simple structure and a very small effort during the training phase.The second fault diagnosis system, called FuzzyWatch, directly displays the actual fault codes. Thus, no manual interpretation is necessary. Due to an universal model approach, the diagnosis system can easily be adapted to any heat pump type. During the training phase, an automated algorithm reduces the number of sensors needed. For parameter identification, a least-squares problem has to be solved online. For the classification of the faults based on the parameters, statistical approaches are used, such as fuzzy logic or neural networks. The experimental effort during the training phase is higher than in the case of HeatWatch, since data of the nominal case as well as data of several fault cases has to be acquired on a test bench. By using advanced methods, this effort can be reduced.The fault diagnosis systems have been tested by measured data both from a residential building and on two test benches, and with simulation data. A detailed, physical heat pump simulation model is able to generate data for the nominal case as well as for several fault cases. A new test bench for industrial brine-to-water heat pumps has been installed at the Measurement and Control Laboratory of the ETH Zurich, which allows the test heat pump to operate under realistic conditions. The test heat pump is equipped with additional actuators and sensors for simulating common faults.The fault diagnosis systems presented in this work is not only suitable to heat pumps only, but to any larger heating, refrigerating, or air-conditioning systems. For large-scale plants, the savings would even be higher due to an optimal operation and a state-oriented maintenance.Note: This report is written in two languages. Chapters 2 to 7 are adopted from the dissertation (in a shortened form), which will be completed and published in spring 2002 [Zogg 02]. These Chapters are written in English.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Zogg,David
Shafai,Esfandiar
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