Langzeitüberwachung und Betriebsoptimierung großer solarintegrierter Wärmeversorgungsanlagen (Teil 1 u. 2)
Prof.Dr.Klaus Vajen, Universität Kassel
Zusammenfassung des Abschlussberichtes
(Berichtszeitraum 1.10.1999-30.06.03)
Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung und Untersuchung eines Konzeptes zur Langzeitüberwachung und Optimierung großer solarintegrierter Wärmeversorgungsanlagen. Hierbei sollte das Systemlayout bereits im Planungsstadium mit Hilfe von Optimierungsrechnungen an die jeweiligen Verbrauchs- und Einstrahlungsbedingungen angepasst werden. Nach der Installation sollte eine möglichst kostengünstige Funktionskontrolle eine dauerhafte Anlagenüberwachung gewährleisten und hierbei ohne großen Personalaufwand Anlagenfehler selbstständig detektieren und wenn möglich identifizieren können. Weitere Optimierungsrechnungen während des Betriebs sollten die Betriebsweise der Anlage an veränderte Randbedingungen anpassen.
Zur Durchführung einer Langzeitüberwachung ist eine Erfassung von Einstrahlungs-, Temperatur- und Volumenstrommesswerten erforderlich, an denen eine Überprüfung und Auswertung der Anlagenfunktion vorgenommen werden kann. Durch die Integration der Messwerterfassung in den Solarregler sowie durch umfangreiche Untersuchungen zu geeigneten Sensoren konnte hierfür eine preiswerte Lösung realisiert werden.
Ferner konnten einige Sensoren durch geschickte Auswertung anderer Messkanäle eingespart werden. Zur Zeit arbeitet das System derart, dass sämtliche Auswertungen der Messdaten aller Messobjekte auf einem zentral in den Räumen der Universität Kassel untergebrachten PC-System vorgenommen werden. Dieses PC-System steht über Modems mit den drei Mess-PCs an den Solarsystemen in Kontakt. Es erfolgt eine automatisierte Aufbereitung der Datensätze jeweils für den Vortag, wobei die Daten mit Hilfe von neu entwickelten Algorithmen auf verschiedene Fehlfunktionen untersucht werden. Werden dabei Fehler identifiziert, wird eine Meldung in Form einer Email generiert.
Darüber hinaus wird ein täglicher Vergleich von Solarerträgen und Nachheizenergien zwischen Messung und dem unter gleichen Randbedingungen nachsimulierten System durchgeführt. Hierbei kann festgestellt werden, ob möglicherweise eine Fehlfunktion vorliegt, die, warum auch immer, nicht durch Analyse der Messdaten identifiziert werden konnten. Der Projektpartner Fa. Wagner & Co. steht z.Z. in Kontakt mit einigen Reglerherstellern im Hinblick auf die Umsetzbarkeit eines Solarreglers gemäß den Spezifikationen des erstellen Pflichtenheftes.
Bezüglich der Systemoptimierungen wurden verschiedene numerische Optimierungsverfahren in Kombination mit thermischen Simulationen (TRNSYS) eingesetzt. Hierbei ergab sich, dass automatisiert durchgeführte Optimierungsrechnungen den Personalaufwand im Planungsprozess reduzieren können und dass durch numerische Parameteroptimierungen Verminderungen des solaren Wärmepreises in der Größenordnung von 16 % möglich sind. Für eine verlässliche Systemplanung ist eine möglichst genaue Kenntnis des zu erwartenden Warmwasserverbrauchs erforderlich, bei Unsicherheiten sollte das System stets auf einen niedrigen Verbrauch ausgelegt werden. Nach der Installation einer Anlage führen nachträgliche Optimierungen von Regelungsparametern und Volumenströmen nur dann zu einer deutlichen Systemertragsverbesserung, wenn sich der Verbrauch im tatsächlichen Betrieb sehr stark verändert hätte oder wenn das System schlecht geplant wurde. Eine kontinuierliche Anpassung von Regelparametern und Volumenströmen kann trotz hoher erreichbarer Genauigkeiten in den Einstrahlungs- und Verbrauchsvorhersagen aufgrund geringer Verbesserungspotenziale nicht empfohlen werden. Ob diesbezüglich eine deutliche Verbesserung erreicht werden könnte wenn auch die fossile Nachheizung in das Optimierungskonzept integriert würde, bliebe noch zu untersuchen. Zur Durchführung von Optimierungsrechnungen im Planungsstadium sollten evolutionäre Algorithmen verwendet werden. Klassische Algorithmen zeigten nur dann ein zuverlässiges Verhalten, wenn bereits im Vorhinein Vermutungen über das ungefähre Optimierungsergebnis in dem Prozess eingebracht werden konnten. Aufgrund der reduzierten Parameterzahl sollten dagegen bei einer Betriebsoptimierung tendenziell klassische Algorithmen eingesetzt werden.
Downloads:
Abschlussbericht (532 KB)
Erläuterungen zum TRNSYSDO-Deck (340 KB)