Diss. ETH No. 16892
2006
Kleinwärmepumpenanlagen werden heutzutage fast ausschliesslich mit witterungsgeführten Zweipunkt-Reglern betrieben. Mit dieser Regelstrategie versucht man primär eine optimale Regelung des Wärmeabgabesystems zu erreichen. Spezielle Forderungen der Wärmepumpen wie lange Laufzeiten, hoher Niedertarifanteil, kleiner Hilfsenergieverbrauch werden dabei nur zweitrangig berücksichtigt.
Am Institut für Mess- und Regeltechnik wurde ein neuer Wärmepumpenregler für die Hausheizung basierend auf der modellbasierten prädiktiven Regelung (MPC) entwickelt. Im Unterschied zu den konventionellen Regelungsstrategien der Wärmepumpen, welche nur die aktuelle Messungen für die Regelung berücksichtigen, bestimmt der modellbasierte prädiktive Regler den Wärmebedarf anhand der Wetterprognosen, der Vorhersagen des Wirkungsgrads der Wärmepumpe und der Kosten (Hoch- bzw. Niedertarif) sowie der Sperrzeiten der Elektrizitätswerke. Der berechnete Wärmebedarf wird dann anhand der Pulsbreitenmodulation (PBM) in ein Ein/Ausschaltsignal für die Wärmepumpe umgeformt.
Um das MPC-Problem zu lösen, wird ein dynamisches lineares Modell der Hausheizung verwendet. Dieses Modell basiert auf einfachen thermodynamischen Effekten. Die resultierenden Differentialgleichungen hängen von mehreren physikalischen Parametern ab. Da diese Parameter je nach Gebäudetyp variieren, wird eine Identifikationsmethode gebraucht. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein adaptiver MPC-Regler entwickelt. Als Ziel sollen die thermischen Eigenschaften des Gebäudes anhand eines Online-Parameteridentifikationsalgorithmus geschätzt werden, so dass die Reglerparameter dem Gebäudetyp angepasst werden. Es werden verschiedene Identifikationsmethoden verglichen. Weiter werden die Robustheit gegenüber Störungen, die Detektion der Sonnenstrahlungsgewinne und die Konsistenz der identifizierten Parameter untersucht. Das identifizierte Modell soll in der Lage sein, das thermische Verhalten des Gebäudes für die nächsten 24 Stunden gut vorherzusagen.
Am Institut für Mess- und Regeltechnik wurde ein Wärmepumpenprüfstand für Sole/Wasser-Wärmepumpen entwickelt, um einen Vergleich zwischen Wärmepumpen-Reglerkonzepten zu ermöglichen. Dabei können die Regler sequentiell unter gleichen Bedingungen verglichen werden. Im Wärmepumpenprüfstand werden sowohl das thermische Verhalten eines Gebäudes als auch das thermische Verhalten einer Erdwärmesonde für eine reelle Wärmepumpe emuliert. Das Erdwärmesondenmodell und das Hausmodell simulieren in Echtzeit jeweils die Wärmepumpenquelle und die Wärmeabgabe. Dabei werden die Solltemperaturen am Rücklauf des Sole- bzw. Heizwasserkreislaufs in Abhängigkeit der gemessenen Temperaturen am Ausgang der Testwärmepumpe und der synthetischen Wetterdaten (wie Aussentemperatur und Sonnenstrahlung) generiert. Ein Anlageregler sorgt daür, dass diese Sollwerte am Wärmepumpenprüfstand eingehalten werden. Da diese Bedingungen am Wärmepumpenprüfstand reproduzierbar sind, können die Wärmepumpenregler am Wärmepumpenprüfstand verglichen werden.
Small heat pump heating systems are controlled almost exclusively by relay-type controllers whose setpoint is chosen as a function of the outdoor temperature. The main strategy of such controllers is to optimally control the heat delivery system. Special demands on the heat pump, such as extended running times, high portions of low-tariff heating, or low usage of auxiliary power, are given secondary attention only.
A new controller for heat pumps has been developed at the Measurement and Control Laboratory using the model predictive control concept. Contrary to conventional heat pump controller strategies which exclusively use the actual measurements, the model predictive controller calculates the required heat energy by means of the predicted course of the outdoor temperature, the efficiency of the heat pump, the power costs (high and low tariff), and the power cut-off times demanded by electric power providers. To transform the required heat energy into an on/off switch signal for the heat pump the pulse-width modulation technique is used.
To solve the model predictive control problem for the specific problem of house heating, a dynamic linear model of the house is required. The model for the controller is based on simple thermodynamic laws. The resulting equations contain a set of a priori unknown parameters; furthermore, since the parameters of the model differ from one house to another, an identification mechanism is indispensable. Within the scope of this doctoral thesis a self-adapting MPC controller has been developed. Its function is to automatically detect the thermal behaviour of the house and its heating system by on-line parameter identification techniques in order to adjust the controller parameters according to preset demands. Different families of recursive parameter identification methods are compared. Furthermore, the robustness with respect to disturbances, the detection of solar radiation, and the consistency of identified parameters are investigated. The identified model must be able to predict reliably the house dynamics for the next day.
In order to compare different control concepts sequentially under identical conditions, a test bench for dynamic tests on a brine-to-water heat pump has been built at the Measurement and Control Laboratory. On this test bench it is possible to emulate dynamically, for a real heat pump, the thermal behaviour of a house as well as the thermal behaviour of an earth probe. Models of the thermal behaviour of the house and of the earth probe are thus simulated in real-time. As a result, the reference temperatures for the inlet of the heat pump are calculated on the basis of the measured outlet temperatures of the heat pump and of selected weather data such as outdoor temperature and solar radiation. A control system ensures that these setpoint values are tracked by the corresponding physical quantities at the test bench. Since these conditions are reproducible, the controllers can be compared equitably under the same conditions.
Last updated: October 26, 2006