Schichtspeichermodellierung als Grundlage für die Entwicklung modellprädiktiver Regelungen von Wärmeversorgungssystemen

Publikation: StudienabschlussarbeitDiplomarbeit

Abstract

Zentrales Thema dieser Arbeit ist die Modellierung von Wärmespeichern als Grundlage für die Entwicklung modellprädiktiver Regelungen von Wärmeversorgungssystemen. Dazu wurde zunächst ein Simulationsmodell entwickelt, welches im Zuge der Reglerentwicklung anstelle von aufwändigen Versuchen verwendet werden kann. Zusätzlich dazu wurde als Grundlage für die Verwendung eines Speichermodells in einer modellprädiktiven Regelung ein lineares, hybrides Prädiktionsmodell entwickelt.
Die beschriebenen Modelle und Ausführungen in dieser Arbeit beschränken sich auf vertikale Warmwasser-Schichtspeicher, gegebenenfalls mit internen Wärmeübertragern.

Als Simulationsmodell wurde ein Modell, das auf der Lösung einer eindimensionalen, diskretisierten Energiegleichung beruht, in Kombination mit einem Mischalgorithmus zur Abbildung der natürlichen Konvektion verwendet. Zur Abbildung der Auswirkungen von Umgebungsverlusten und der Energiezufuhr durch interne Wärmeübertrager werden im Simulationsmodell Modelle für die Beschreibung der Wärmedurchgangskoeffizienten der Speicherwände und der internen Wärmeübertrager in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen benötigt. Dazu wurden in weiterer Folge entsprechende Modelle entwickelt und für ein bestimmtes Versuchssystem experimentell parametriert. Bei der Validierung des Simulationsmodells in Kombination mit den empirisch parametrierten Modellen für die Wärmedurchgangskoeffizienten zeigte sich, dass das dynamische Verhalten der untersuchten Schichtspeicher in beinahe allen Abschnitten der Speicher äußerst gut wiedergeben werden konnte. Geringfügige Abweichungen traten fast ausschließlich im Bereich der Totvolumina auf, was auf die Vernachlässigung der Auswirkungen von Ein- und Austrittswirbeln im Simulationsmodell zurückzuführen ist.

Außerdem wurde untersucht, ob zur Ermittlung der Wärmedurchgangskoeffizienten der Speicherwände und der internen Wärmeübertrager - anstelle der empirisch parametrierten Modelle - auch bestehende Berechnungsmodelle (ohne experimentelle Parametrierung) verwendet werden können.
Dabei zeigte sich, dass die berechneten Wärmedurchgangskoeffizienten der Speicherwände zu niedrig sind, das Zwei- bis Dreifache des berechneten Werts jedoch als guter Richtwert für Simulationen verwendet werden kann. Die berechneten Werte für den Wärmedurchgangskoeffizienten der Wärmeübertrager waren tendenziell etwas höher als die durch das empirisch parametrierte Modell ermittelten Werte, konnten die Energiezufuhr durch interne Wärmeübertrager allerdings fast genauso gut abbilden. Da die Parametrierung des empirisch parametrierten Parametermodells für den Wärmedurchgangskoeffizienten der Wärmeübertrager sehr aufwändig war, wird empfohlen, für zukünftige Anwendungen des Simulationsmodells das Berechnungsmodell zu verwenden und die Ergebnisse nach Möglichkeit durch einen Vergleich zwischen simulierten und gemessenen Wärmeübertrager-Rücklauftemperaturen zu verifizieren.


Als Prädiktionsmodell wurde ein lineares, hybrides Modell vorgestellt, in dem Speicher in Schichten mit konstanter Temperatur und variabler Höhe unterteilt werden. In Abhängigkeit des Speicherzustands wurden verschiedene Fälle (diskrete Zustände) definiert und für die verschiedenen Fälle wiederum gültige, lineare Zustandsgleichungen definiert.
Da es im Bereich der Schichtspeichermodelle bislang nur wenige lineare Modelle gibt, wird angenommen, dass das entwickelte Prädiktionsmodell einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung modellprädiktiver Regelungen von Wärmeversorgungssystemen mit Schichtspeichern darstellen kann.
Originalsprachedeutsch
Gradverleihende Hochschule
  • Institut für Wärmetechnik (3070)
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Hochenauer, Christoph, Betreuer
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2017

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