Foto: Fenster des Freihofs Sulz

Regelungstechnik für die Hausheizung der Zukunft

Durch Optimierung der Regelung von Biomassefeuerungen können Schadstoffemissionen und Energieverluste erheblich reduziert werden. Ziel der Projekts ist daher zunächst die Analyse derartiger Einsparungsmöglichkeiten anhand des zeitlichen Verlaufs des Wärmebedarfs verschiedener "Häuser der Zukunft". Aufgrund der Ergebnisse dieser Analyse wird ein optimiertes Regelungssystem entwickelt und anhand einer Biomassefeuerung erprobt.

Inhaltsbeschreibung

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Das Projekt umfasst folgende Arbeitsschritte:

1. Anpassung der bei Antragsteller vorhandenen Einrichtungen zum Aufbau eines Regelungs-Versuchsstandes für eine Versuchsfeuerungsanlage mit einer auf Basis der Ergebnisse des Projekts "Biomassefeuerungen für das Haus der Zukunft programmierten Wärmesenke ("Gebäudesimulator")

In diesem Arbeitsschritt wird durch Anpassung bzw. Ergänzung des beim Antragsteller vorhandenen Einrichtungen (Feuerungs-Versuchsstand) ein Regelungs-Versuchsstand realisiert. Die Regelung erfolgt zunächst mit Hilfe eines mit den entsprechenden elektrischen Aus- und Eingängen bestückten PC, später mit Hilfe einer SPS-Steuerung. Der Regelungs-Versuchsstand ist weiters mit einer regelbaren bzw. in ihrem Leistungsverlauf programmierbaren Wärmesenke ausgestattet. Mit dieser Wärmesenke kann das wärmetechnische Verhalten verschiedener Gebäude in Bezug auf den Wärmebedarf aus der Feuerung simuliert werden. Die regelnden Komponenten werden weiters mit elektrischen Aus- und Eingängen für die in der Heizanlage des "Hauses der Zukunft" zu erwartenden Signalgrößen (Außentemperatur, Zustand der anderen Komponenten der Heizanlage, Benutzer-Interface etc.). versehen, sodass letztendlich in Bezug auf die Wärmetechnik vollständig simulierte Gebäude an die Versuchsfeuerungen angeschlossen werden können ("Gebäudesimulator").

Zwischenergebnis dieses Arbeitsschritts (Milestone MS1) ist die Bereitstellung eines Regelungs-Versuchsstandes, mit dem mit einer Versuchsfeuerungsanlage anhand eines simulierten "Referenzbaues" die Tests bzw. Experimente zur Optimierung der Feuerungs- und der Leistungsregelung durchgeführt werden können.

Dieser Arbeitsschritt wurde plangemäß mit Dezember 2000 abgeschlossen. Abbildung 1 zeigt den angepassten Regelungs-Versuchsstand mit der für die weiteren Untersuchungen verwendeten 50 kW Biomassefeuerung, die von der Fa. Herz als beteiligtem Industriepartner für die Dauer des Projekts zur Verfügung gestellt wurde.

2. Test und Optimierung der Verbrennungsregelung anhand einer ausgewählten Feuerungsanlage

Dieser Arbeitsschritt ist zwischen Jänner und August 2001 durchzuführen.

In diesem Arbeitsschritt werden am Regelungs-Versuchsstand verschiedene Regelungsstrategien bzw. -algorithmen anhand einer auf Basis der Ergebnisse des ebenfalls im Rahmen des Forschungsschwerpunktes "Haus der Zukunft" durchgeführten Projekts "Anforderungsprofile für Biomassefeuerungen zur Wärmeversorgung von Objekten mit niedrigem Energiebedarf" ausgewählten Feuerungsanlage erprobt.

Zwischenergebnis dieses Arbeitsschritts (Milestone MS2) werden Erkenntnissen zur Übertragung fortschrittlicher Regelungstechniken von Großfeuerungsanlagen auf die verwendete Kleinfeuerungsanlage sein. Die bisher durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigen insbesondere, dass die verwendete Kleinfeuerungsanlage eine sehr gute, mit Großfeuerungsanlagen vergleichbare Charakteristik der relevanten Verbrennungsgrößen in Bezug auf die Verbrennungsluftmenge hat. Abbildung 2 zeigt die Charakteristik der CO-Emissionen, der O2-Konzentration und der Brennkammertemperatur in Bezug auf die Drehzahl des Saugzugventliators als Stellglied für die Verbrennungsluftmenge. Man erkennt, dass sowohl die mit einem Analysator gemessene CO-Konzentration im Rauchgas, wie auch das entsprechende Signal eines kostengünstigen sogenannten "Figaro-Sensors" bei einem bestimmten Stellwert für den Frequenzumformer des Saugzuggebläses, ähnlich wie in Großfeuerungsanlagen, ein ausgeprägtes Minimum aufweisen. Es kann somit erwartet werden, dass die in Großfeuerungsanlagen eingesetzten Verbrennungsregelungen, die so ausgeführt sind, dass sie ständig diesem Minimum zustreben, auch in der betrachteten Kleinfeuerungsanlage eingesetzt werden können. Natürlich muss die Regelungshardware auch so kostengünstig realisiert werden können, dass ihr Einsatz in Kleinfeuerungsanlagen wirtschaftlich sinnvoll ist. Dies scheit jedoch aus jetziger Sicht mit moderner Elektronik realisierbar.

3. Test und Optimierung der Leistungsregelung anhand eines simulierten Referenzbaus

Dieser Arbeitsschritt ist - so wie Arbeitsschritt 2 - zwischen Jänner und August 2001 durchzuführen.

In diesem Arbeitsschritt werden mit Hilfe des Regelungs-Versuchsstandes grundlegende Untersuchungen zum optimalen Wärmemanagement des "Hauses der Zukunft" durchgeführt. Hierzu wird die Feuerungsanlage des Regelungs-Versuchsstandes anhand eines im oben bereits erwähnten Projekt "Anforderungsprofile für Biomassefeuerungen zur Wärmeversorgung von Objekten mit niedrigem Energiebedarf" ermittelten Szenarios in Bezug auf die optimale Leistungsregelung von "Referenzbauten" untersucht. In diesem Szenario wird insbesondere das Verhalten folgender Komponenten der Heizungsanlage des "Hauses der Zukunft" einbezogen:

  • Wärmesenken (Heizkörper, Brauchwasserboiler etc.)
  • Wärmequellen (Solarkollektoren, Wärmerückgewinnungsanlagen, Wärmepumpen, elektrische Anlagen etc.) und
  • speichernde Komponenten (Pufferspeicher etc.).

Mit dem solcherart simulierten "Haus der Zukunft" soll, zusammen mit der realen Versuchsfeuerungsanlage und einem realen, in seinem Verhalten dem "Haus der Zukunft" entsprechenden Wärmeabnehmer, das zu erwartende Szenario betreffend die Wärmeströme im Labor durchgespielt und in Bezug auf die Regelung untersucht werden.

Zwischenergebnis dieses Arbeitsschritts (Milestone MS3) werden Erkenntnisse in Bezug auf die Leistungsregelung von Biomassefeuerungen unter Berücksichtigung größtmöglicher Effizienz der Heizanlage bei geringstmöglichen Schadstoffemissionen sein.

Das Projekts "Anforderungsprofile für Biomassefeuerungen zur Wärmeversorgung von Objekten mit niedrigem Energiebedarf" konnte vor Kurzem erfolgreich abgeschlossen werden, so dass und die benötigten Ergebnisse bereits vorliegen. Zur Optimierung der Regelung der Feuerungsanlage ist jedoch noch die genaue Ermittlung des Nutzungsgrades der Feuerung bei verschiedenen Lastzuständen insbesondere im kontinuierlichen Teillastbetrieb sowie im Taktbetrieb erforderlich. Die hierfür erforderlichen experimentellen Untersuchungen sind derzeit noch im Laufen.

4. Zusammenstellung von Empfehlungen für die optimale Ausführung der Heizungsregelung für das "Haus der Zukunft

Dieser Arbeitsschritt ist im September und im Oktober 2001 durchzuführen.

In diesem Arbeitsschritt werden anhand der Ergebnisse der vorangegangenen Arbeitsschritte Empfehlungen für die optimale Ausführung der Heizungsregelung für das "Haus der Zukunft" erarbeitet bzw. zusammengestellt werden.

Ergebnis dieses Arbeitsschritts (Milestone MS4) und zugleich Endergebnis des Projekts wird die Zusammenfassung aller gewonnenen Erkenntnisse in einer für den späteren Nutzer geeigneten Form, sowie die Zusammenstellung aller sich hieraus ergebenden Empfehlungen sein.

Downloads

Regelungstechnik für die Hausheizung der Zukunft

Schriftenreihe 05/2002 R. Padinger
Deutsch, 116 Seiten, vergriffen

Downloads zur Publikation

Bibliographische Daten

Regelungstechnik für die Hausheizung der Zukunft
Untersuchungen zur Regelung von Biomasse-Feuerungen zur emissions- und effizienzoptimierten Beheizung von Wohn- und Bürobauten

Endbericht

Auftragnehmer: Joanneum Research

Autor: Reinhard Padinger (Joanneum Research, Institut für Energieforschung)
In Zusammenarbeit und mit Unterstützung von Fa. Herz-Feuerungstechnik Ges.m.b.H., Sebersdorf

Berichte aus Energie- und Umweltforschung 5/2002

Graz, Dezember 2001
126 Seiten

Projektbeteiligte

Projektleiter:

Dipl.-Ing. Dr. Reinhard Padinger

MitarbeiterInnen:

Ing. Anton Wenzel
Peter Enzinger
Hans Dermouz

Alle Personen des Projektteams sind Mitarbeiter von Joanneum Research, Institut für Energieforschung

Kontakt

Dipl.-Ing. Dr. Reinhard Padinger
Joanneum Research, Institut für Energieforschung
Elisabethstraße 5
A 8010 Graz
Tel.: +43 316 876 1333
Fax: +43 316 876 1320
E-Mail: reinhard.padinger@joanneum.at

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