EP3564601B1 - Prädiktive regelung einer wärmepumpe - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for regulating or controlling linear or non-linear dynamic systems of a heat pump system, in which the output variables of the system are estimated in advance and included in the regulation.
- a heat pump consists of a refrigerant circuit with an evaporator, a compressor, a heat sink, a condenser and a heat source.
- a refrigerant with a low boiling point at a low temperature is vaporized while absorbing heat and then compressed while being heated but remaining in gaseous form.
- the heated gas is then fed to a heating device in which it emits heat to the environment, usually the interior of a residential building, and condenses in the process. It is then expanded, usually in an isenthalpic throttle valve, where it cools down and is then returned to the heat source, which is usually the ground or ambient air.
- a maximum utilization of the heat pump can only be achieved through a meaningful integration of limitation variables. In most concepts, these are not calculated precisely enough or integrated into the concept, so that low or high pressure shutdowns of the heat pump can occur. Furthermore, the heat exchanger often freezes, even in situations where freezing can be avoided with the help of a model-based design.
- Model-based predictive control concepts are ideally suited to controlling coupled multivariable systems. Because the controller is inherently based on the essential dynamic properties of the input and output variables in the form of a model, high control quality can be achieved. This model is purely mathematical, it is neither necessary to include ambient temperatures, weather forecasts and typical user behavior in the control concept, nor to implement a physical model.
- the output variables y of the system can be predicted and included in the control for a certain prediction horizon.
- the controller reacts early to a changing reference variable and can ideally follow it, taking into account limitations.
- this regulation pursues two objectives. On the one hand, you want to cover the heating requirement via the temperature and the volume flow of the useful heat flow. On the other hand, the “Coefficient of Performance COP", which is a benchmark for the efficiency of the heat pump, should be as high as possible, preferably between 3.1 and 5.1. The heat generated is related to the electrical power consumption. This COP therefore includes not only the temperatures and heat flows, but also the electrical power consumption of the heat pump, which therefore also influences the regulation of the electrical consumers. If you want to optimize this COP, the control of these coupled systems becomes complex, because the sum of the drive power of the machines has to be minimized.
- the US 2008/0000241 A1 describes a refrigeration system with a compressor and associated control.
- the future refrigeration requirement is compared with the capacity of the compressor and weighted higher as a reference variable than the current refrigeration requirement. Cooling is further optimized with a cost model.
- the compressor is not operated as an inverter, but only has a start-stop control.
- the estimated cooling requirement is based on the operator's environment, such as the opening hours of a supermarket. So the machine cannot do it autonomously.
- the U.S. 2015/0253051 A1 describes pre-estimation methods used to estimate the heat transfer of fluids under different environmental conditions. These fluids are the working fluid, the heat sink, and the heat source.
- a function of the desired value of a heating element is determined by changing the desired value and solving the function accordingly for intermediate values.
- the target function for the setpoint is optimized by a large number of such operations. In this way, historical operating data can be used for temperature control.
- the object of the invention is therefore to provide a suitable control method for the operation of a left-handed thermodynamic Clausius-Rankine cycle in a closed, hermetically sealed working fluid circuit using a working fluid.
- the electrical energy consumption of all electrical machines is measured and a prediction horizon is formed for each variation of manipulated variables influencing the electrical consumption variables caused by machines, and the overall minimum of the electrical energy consumption is then determined for each of the possible control interventions based on the prediction horizons and these settings are selected for the control intervention.
- the target value of the second command variable COP value is set to the possible maximum value. This ensures that the best COP value that can be achieved is always sought.
- the control system also has the advantage of being fast and stable.
- the heat pump system comprises a refrigeration circuit 1 with a refrigeration compressor 2, a condenser 3, an expansion valve 4 and an evaporator 5.
- Compressed refrigerant 6 flows to the condenser 3, where it gives off its heat to the heat transfer medium flow 7, which is pumped by the circulating pump 8 is promoted as heat flow 9 to the consumer.
- the refrigerant 10 that has been cooled and condensed as a result reaches the expansion control valve 4, where it cools down further and is conducted into the evaporator 5 as a cold stream 11.
- the refrigeration circuit shown here in simplified form can also contain several heat exchangers at different temperature levels, a graduated pressure reduction, switching devices for heating in winter and cooling in summer, and a large number of sensors, although the control principle is the same.
- the refrigeration circuit 1 is thermodynamic via the variables of pressure, temperature and volume flow for the four flows of compressed refrigerant 6, condensed refrigerant 10, refrigeration flow 11 and heated refrigerant 15, as well as via the variables of volume flow and temperature of the four flows of heat carrier flow 7, heat flow 9 and ambient air 12 and cold air 14 definitely. It can be regulated via the power consumption or speeds of the circulation pump 8, that of the refrigeration compressor 2 and that of the fan 13, and also via the position of the expansion valve 4.
- _ 2 shows a basic course of a prediction system.
- the output variables y, 16 are predicted via a prediction horizon 17 and included in the control.
- the controller reacts early to a changing reference variable, the setpoint curve w, 18, and can ideally follow this with the manipulated variable u, 19, taking into account restrictions.
- the reference trajectory r, 20, and the setting horizon 21 are also shown.
- the values y, w and u are to be understood as vectorial values.
- the flow temperature in the heating circuit is regulated by controlling the four main input variables of the compressor, the expansion valve, the fan and the circulation pump in parallel, while at the same time maintaining the operating limits with regard to high pressure and the evaporation temperature.
- FIG. 3 shows the mode of operation of this control method in seven measurement diagrams.
- the time axis is identical in all diagrams, it is about the same control process.
- the measured flow temperature 22 of the heat flow 9 and its setpoint temperature 23 are shown in the top diagram.
- the target temperature 22 was gradually increased as a model, with the heat pump being brought to its load limit.
- the target temperature was then significantly reduced and slowly increased to a medium level.
- the pressure 24 in the high-pressure section 6 or 10 of the refrigeration circuit 1 is shown.
- This pressure curve is a reaction to the flow temperature 22 in the condenser 3 from the temperature to which the refrigerant cools when condensing, i.e. to the equilibrium temperature. It must not exceed a maximum pressure of 25. A control intervention in the compressor and in the expansion valve was necessary here.
- the diagram below shows the evaporator temperature 26, which is proportional to the low-pressure section 11 or 15.
- the temperature in the evaporator was lowered accordingly, so that the temperature difference to the ambient air is greater and a higher heat flow can be extracted from the ambient air.
- this lower limit is shown by the minimum evaporator temperature 27 .
- the input variable for the speed 28 of the refrigeration compressor 2 is shown in the diagram below. This speed must be between the limits of the minimum speed 29 and the maximum speed 30. It can be seen that the control initially wants to satisfy the increased heat requirement by means of a higher speed, which causes a higher compression of the refrigerant, but that it has reached its upper limit.
- the input variable of the opening 31 of the expansion valve 4 is shown.
- This expansion valve 4 opens when the heat requirement cannot be met by further increasing the speed of the refrigeration compressor 2 . Due to this opening, the mass flow through this valve increases, parallel to this also the mass flow compressed by the refrigeration compressor, which leads to a corresponding pressure drop in the high-pressure section due to the compressor characteristic. Also with regard to the opening of the expansion valve 4, a maximum opening 32 and a minimum opening 33 are specified as limitations.
- the input variable of the fan speed 34 is shown in the diagram below. As the heat demand increases, the fan speed increases to draw more ambient air to the evaporator surface where that heat is to be extracted. A maximum speed 35 and a minimum speed 36 are also specified for the fan speed. In the present case, however, even reaching the maximum speed 36 is not sufficient to bring the flow temperature closer to the desired value.
- the input variable of the speed 37 of the circulating pump 8 is shown in the diagram below. To the extent that approaching the target temperature 23 with other control interventions is not successful, the circulating pump reduces its speed, but only to the minimum speed 38, which is not reached in the present example because the target value of the flow temperature 23 was lowered beforehand. The circulating pump is also limited by a maximum speed 39 .
- the measurement diagram shows a tenth of the time course compared to 3 .
- the COP should be used as a further output variable.
- the flow temperature 22 is given a target temperature 23, but also an upper flow temperature limit 40 and a lower flow temperature limit 41.
- the COP is calculated from the heat flow, which is the difference between the flow temperature and the return temperature of the heating circuit, multiplied by the mass flow, which is conveyed by the circulation pump 8 and set in relation to the sum of all electrical consumers of the heat pump.
- the target COP 42 is set as high as possible, while the actual COP 43 the target COP is approached by controlling the refrigeration compressor, fan and circulation pump in such a way that the total electrical energy consumption decreases while the supply temperature is kept within tight limits.
- the behavior of the controller can be seen from the course of the temperatures and the COP in figure 4 Well.
- the set target temperature 23 is 24.5 degrees Celsius at the beginning of the observation interval, which also corresponds to the start temperature of the flow temperature 22.
- the COP increases from 3.57 to 3.62, while the flow temperature remains the same.
- the target temperature 23 is reduced to the value of 24.1 degrees Celsius. This initially causes a brief increase in the COP due to the heat storage capacity of the system. As the flow temperature 22 approaches the new setpoint temperature 23, the COP remains approximately at the level it was at before the setpoint temperature change, namely approximately 3.62.
- This overshoot is limited by the upper flow temperature limitation 40 to an amount of one Kelvin.
- the rapid attainment of the higher flow temperature 22, which corresponds to the request for more heat by the user, is given high priority. Because of the heat storage capacity of the system, this initially leads to a drop in the COP, which corresponds inversely to the increase that can be recognized when the target temperature 23 is lowered after 900 seconds.
- the COP further regulated upwards from then 3.62, at the end of the observation interval it is 3.63. In this way, a constant optimization process is carried out.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung oder Steuerung linearer oder nichtlinearer dynamischer Systeme eines Wärmepumpensystems, bei dem die Ausgangsgrößen des Systems im Voraus abgeschätzt und in die Regelung miteinbezogen werden.
- Wärmepumpen sind seit langem Stand der Technik. Im einfachsten Fall besteht eine Wärmepumpe aus einem Kältemittelkreislauf mit einem Verdampfer, einem Kompressor, einer Wärmesenke, einem Kondensor und einer Wärmequelle. Hierbei wird ein Kältemittel mit einem niedrigen Siedepunkt bei niedriger Temperatur unter Wärmeaufnahme verdampft und danach komprimiert, wobei es sich erhitzt, aber gasförmig bleibt. Das erhitzte Gas wird dann einer Heizeinrichtung zugeführt, in der es Wärme an die Umgebung, meist das Innere eines Wohngebäudes, abgibt und hierbei kondensiert. Danach wird es entspannt, meist in einem isenthalpen Drosselventil, kühlt sich dabei ab und wird danach wieder zur Wärmequelle geführt, meist ist dies Erdreich oder Umgebungsluft.
- Durch die gekoppelten Ein und Ausgangsgrößen und das zusätzliche nichtlineare Verhalten des Kältekreises ist eine Regelung dieses Systems nur schwierig umzusetzen. Entsprechend werden in den meisten regelungstechnischen Umsetzungen die einzelnen Komponenten des Systems unabhängig voneinander angesteuert oder geregelt. Zudem ist das System über Werte des Kältemittels für Hoch- und Niederdruck beschränkt. Diese Beschränkungen werden in den meisten Fällen nicht optimal in das Konzept mit eingebunden.
- Aufgrund der unabhängigen einzelnen Regelkreise ist das Gesamtregelungskonzept nur schwer bis gar nicht zu parametrisieren. In den schlimmsten Fällen können sich instabile Zustände einstellen oder das System wird ineffizient betrieben.
- Eine maximale Auslastung der Wärmepumpe kann nur über ein sinnvolles integrieren von Beschränkungsgrößen erreicht werden. Bei den meisten Konzepten werden diese nicht genau genug berechnet oder in das Konzept integriert, so dass es zu Nieder- oder Hochdruck Abschaltungen der Wärmepumpe kommen kann. Des Weiteren friert der Wärmetauscher häufig ein, auch in Situationen, in denen mit Hilfe einer modellbasierten Auslegung das Einfrieren vermieden werden kann.
- Modellbasierte prädiktive Regelungskonzepte sind ideal dafür geeignet, gekoppelte Mehrgrößensysteme zu regeln. Dadurch, dass dem Regler die wesentlichen dynamischen Eigenschaften der Ein- und Ausgangsgrößen inhärent in Form eines Modells zu Grunde liegen, ist eine hohe Regelungsgüte realisierbar. Dieses Modell ist dabei ein rein mathematisches, es weder erforderlich, Umgebungstemperaturen, Wettervorhersagen und typisches Nutzerverhalten in das Regelkonzept einzubeziehen, noch ein physikalisches Modell zu implementieren.
- Mit Hilfe der diskreten Übertragungsfunktionen, die der CARIMA-Struktur (CARIMA = Controlled Autoregressive Integrated Moving Average) entsprechen, können die Ausgangsgrößen y des Systems vorhergesagt und für einen gewissen Prädiktionshorizont in die Regelung miteinbezogen werden. Dem Regler liegt dabei im allmeinen MIMO-Fall die Struktur
- Dadurch reagiert der Regler frühzeitig auf eine sich ändernde Führungsgröße und kann dieser unter Berücksichtigung von Beschränkungen ideal folgen.
- Bei dieser Regelung werden im Normalbetrieb zwei Ziele verfolgt. Zum Einen möchte man über die Temperatur und den Volumenstrom des Nutz-Wärmestroms den Heizbedarf decken. Zum Anderen soll der "Coefficient of Performance COP", der ein Leitmaß für die Effizienz der Wärmepumpe ist, möglichst hoch liegen, vorzugsweise zwischen 3,1 und 5,1. Hierbei wird die gewonnene Wärme mit der elektrischen Leistungsaufnahme in Beziehung gesetzt. In diesen COP gehen somit nicht nur die Temperaturen und Wärmeströme, sondern auch die elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe ein, die somit auch Einfluss auf die Regelung der elektrischen Verbraucher hat. Will man diesen COP optimieren, wird die Regelung dieser miteinander gekoppelten Systeme komplex, denn die Summe der Antriebsleistungen der Maschinen muss minimiert werden.
- Im Stand der Technik sind bereits eine Reihe von Lösungen vorgeschlagen worden. Die
US 2008/0000241 A1 beschreibt ein Kälteerzeugungssystem mit einem Kompressor sowie zugehöriger Regelung. Hierzu wird der künftige Kältebedarf mit der Kapazität des Kompressors verglichen und als Führungsgröße höher gewichtet als der aktuelle Kältebedarf. Mit einem Kostenmodell wird die Kälteerzeugung weiter optimiert. Allerdings wird der Kompressor nicht als Inverter betrieben, sondern weist lediglich eine Start-Stopp-Regelung auf. Und die Schätzung des kommenden Kältebedarfs erfolgt anhand der Umgebung des Betreibers, etwa den Öffnungszeiten eines Supermarkts. Die Maschine kann es also nicht autonom selbst. - Die
US 2015/0253051 A1 beschreibt Vorabschätzungsmethoden, mit denen die Wärmeübergänge von Fluiden bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen geschätzt werden. Diese Fluide sind das Arbeitsfluid, die Wärmesenke und die Wärmequelle. Hierfür wird eine Funktion des Sollwerts eines Heizelements ermittelt, indem der Sollwert geändert und die Funktion entsprechend für Zwischenwerte gelöst wird. Durch eine Vielzahl solcher Operationen wird die Zielfunktion für den Sollwert optimiert. Auf diese Weise können historische Betriebsdaten zur Temperaturregelung genutzt werden. - Die
US 2015/0354877 A1 beschreibt Systeme, bei denen Dämpfe verdichtet werden, wie z.B. Wärmepumpen und Klimaanlagen. Besonders das Problem, dass man weder den Wärme- oder Kältebedarf noch die aktuellen Zustandsgrößen des Arbeitsfluids kennt, andererseits aber betriebliche Grenzen einzuhalten hat, wird als Regelungsproblem thematisiert. Hierzu wird ein prädiktiver Regler eingesetzt, der ein prädiktives Modell enthält. - Wie in Abschnitt [0057] der
US 2015/0354877 A1 beschrieben, wird dafür ein kontinuierliches Zustandsraummodell des Dampf-Verdichtungssystems mit dem Ansatz ẋ(t) = - Was dabei im Normalbetrieb schon Probleme bereitet, kann erst recht aufwendig werden, wenn Minimum- und Maximum-Bedingungen für Pumpe, Lüfter und Kompressor berücksichtigt werden müssen oder die Umweltbedingungen zur Verdampfervereisung führen könnten. Hierfür müssen Zwangsbedingungen bzw. Begrenzungen in das System eingeführt werden, damit während der Regelung die Betriebsgrenzen nicht überschritten werden, und auch deshalb, damit auf dem Weg zum Regelungsziel keine verbotenen Zustände zum Durchlaufen angesteuert werden.
- Die Aufgabe der Erfindung ist daher, ein geeignetes Regelungsverfahren bereitzustellen für den Betrieb eines linksdrehenden thermodynamischen Clausius-Rankine-Kreisprozesses in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf mittels eines Arbeitsfluids.
- Die Erfindung löst die Aufgabe mittels eines Verfahrens zur Regelung oder Steuerung linearer oder nichtlinearer dynamischer Systeme eines Wärmepumpensystems mit einem linksdrehenden thermodynamischen Clausius-Rankine-Kreisprozess, das Wärmepumpensystem aufweisend
- mindestens einen geregelten, elektrisch angetriebenen Kältekompressor für Arbeitsfluid,
- mindestens ein geregeltes Expansionsventil für Arbeitsfluid,
- mindestens zwei Wärmeübertrager für Arbeitsfluid, die von Wärmeträgerfluiden durchströmt werden,
- einen Anschluss an einen Heizkreis mit einem Vorlauf und einem Rücklauf für eines der Wärmeträgerfluide,
- mindestens zwei elektrisch betriebene und geregelte Fördereinrichtungen für Wärmeträgerfluide,
- Messstellen für Zustandsgrößen für Arbeitsfluid und Wärmeträgerfluide,
- eine Einrichtung zur elektronischen Regelung, wobei
- alle Betriebsgrenzen für Druck, Temperatur, Drehzahl und Ventilöffnungen als Beschränkungsgrößen in die Regelung miteinbezogen werden,
- der Regelung ein Modell aller wesentlichen dynamischen Eigenschaften der Ein- und Ausgangsgrößen zugrunde gelegt wird, mit dem für jeden Regeleingriff eine Schätzung der Ausgangsgrößen nach diesem Regeleingriff durchgeführt wird,
- diese geschätzten Ausgangsgrößen des Systems in die Regelung miteinbezogen werden und ein Prädiktionshorizont ermittelt wird,
- daraus die Stellgrößen aller Stellglieder berechnet werden,
- die Ansteuerung aller Stellgrößen gleichzeitig erfolgt
- die Solltemperatur des Wärmeträgerfluids für den Vorlauf des Heizkreislaufs des Wärmepumpensystems als erste Führungsgröße für die übrigen Stellgrößen gewählt wird,
- der elektrische Gesamtenergieverbrauch der gesamten Wärmepumpe gemessen und erfasst wird,
- als zweite Führungsgröße der COP-Wert gewählt wird, wobei eine vorgegebene Solltemperatur des Wärmeträgerfluids für den Vorlauf des Heizkreislaufs des Wärmepumpensystems variiert wird, und der COP-Wert gebildet wird aus dem Quotienten der Wärmeabgabe an das Wärmeträgerfluid des Heizkreislaufs und der Summe aller elektrischen Verbraucher des Wärmepumpensystems.
- In einerweiteren Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass der elektrische Energieverbrauch aller elektrischen Maschinen gemessen und für jede Variation von Stellgrößen mit Einfluss auf die durch Maschinen verursachten elektrischen Verbrauchsgrößen ein Prädiktionshorizont gebildet wird, nachfolgend für jeden der aufgrund der Prädiktionshorizonte möglichen Regelungseingriffe das Gesamtminimum des elektrischen Energieverbrauchs ermittelt wird, und diese Einstellungen für den Regelungseingriff ausgewählt werden.
- In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgesehen, dass der Sollwert der zweiten Führungsgröße COP-Wert auf den möglichen Maximalwert gesetzt wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass immer der beste COP-Wert angestrebt wird, der überhaupt erreichbar ist.
- In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgesehen, dass zur Begrenzung der Führungsgrößen weiche Begrenzungen verwendet werden. Praktisch wird dies so umgesetzt, dass Kostenfunktionale so gestaltet werden, dass es immer, wenn eine Führungsgröße in die Nähe einer Begrenzung kommt, höhere virtuelle Kosten berechnet, wobei virtuelle Kosten im regelungstechnischen Sinn gemeint sind.
- Aufgrund dieser Vorgehensweise optimiert sich das Wärmepumpensystem ständig automatisch selbst und läuft dabei keine Gefahr einer Überschreitung von apparativen Grenzen, die zu einer Abschaltung führen würden. Das Regelungssystem hat ferner den Vorteil, dass es schnell und stabil ist.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand Beispielen näher erläutert. Dabei zeigen die
Fig. 1 bis Fig. 4 : - Fig. 1:
- ein allgemeines Fließschema einer Wärmepumpe mit Messstellen und Regelungsgrößen
- Fig. 2:
- einen grundsätzlichen Verlauf eines Prädiktionssystems,
- Fig. 3:
- ein Beispiel mit Führungsgrößen und Eingangsgrößen,
- Fig. 4:
- ein Beispiel mit dem COP als Zielgröße.
-
Fig. 1 zeigt ein einfaches Luft/Wasser-Wärmepumpensystem, welches aus regelungstechnischer Sicht ein MIMO (Multi-Input-Multi-Output)-System ist. Das Wärmepumpensystem umfasst in diesem Beispiel einen Kältekreis 1 mit einem Kältekompressor 2, einem Kondensator 3, einem Expansionsventil 4 und einem Verdampfer 5. Hierbei strömt verdichtetes Kältemittel 6 zum Kondensator 3, wo es seine Wärme an den Wärmeträgerstrom 7 abgibt, der von der Umwälzpumpe 8 als Wärmestrom 9 zum Verbraucher gefördert wird. Das hierdurch abgekühlte und kondensierte Kältemittel 10 gelangt zum Entspannungs-Regelventil 4, wobei es sich weiter abkühlt und als Kältestrom 11 in den Verdampfer 5 geleitet wird. Dort nimmt es Wärme der Umgebungsluft 12, die vom Lüfter 13 durch den Verdampfer 5 gesogen wird und diesen abgekühlt als Kaltluft 14 verlässt, auf. Das erwärmte Kältemittel 15 wird wieder von Kältekompressor 2 verdichtet, womit der Kältekreislauf 1 geschlossen ist. - Natürlich kann der hier vereinfacht dargestellte Kältekreislauf auch mehrere Wärmetauscher auf unterschiedlichen Temperaturniveaus, eine gestufte Druckreduzierung, Umschaltvorrichtungen für Heizbetrieb im Winter und Kühlung im Sommer, sowie eine Vielzahl von Sensoren enthalten, wobei das Regelungsprinzip jedoch dasselbe ist. Das gilt auch für den Fall, dass Verdampfer 5 und Kondensator 3 in ihrer Betriebsweise austauschbar sind bzw. nicht gezeigte Umschaltvorrichtungen im Kältekreis diese Funktionalität nach bekanntem Stand der Technik herstellen können, so dass der Heizungskreislauf zum Kältekreislauf einer Klimaanlage wird und die Wärmequelle des Heizungsbetriebs zur Wärmesenke bei der Klimatisierung.
- Hierbei ist der Kältekreis 1 thermodynamisch über die Größen Druck, Temperatur und Volumenstrom für die vier Ströme verdichtetes Kältemittel 6, kondensiertes Kältemittel 10, Kältestrom 11 und erwärmtes Kältemittel 15, sowie über die Größen Volumenstrom und Temperatur der vier Ströme Wärmeträgerstrom 7, Wärmestrom 9, Umgebungsluft 12 und Kaltluft 14 bestimmt. Geregelt werden kann über die Leistungsaufnahmen oder Drehzahlen der Umwälzpumpe 8, der des Kältekompressors 2 und der des Lüfters 13, ferner über die Stellung des Expansionsventils 4.
- Fig._2 zeigt einen grundsätzlichen Verlauf eines Prädiktionssystems. Hierbei werden die Ausgangsgrößen y, 16, über einen Prädiktionshorizont 17 vorhergesagt und in die Regelung miteinbezogen. Dadurch reagiert der Regler frühzeitig auf eine sich ändernde Führungsgröße, den Sollwertverlauf w, 18, und kann dieser unter Berücksichtigung von Beschränkungen ideal durch die Stellgröße u, 19, folgen. Gezeigt werden außerdem die Referenztrajektorie r, 20, und der Stellhorizont 21. Die Werte y, w und u sind dabei als vektorielle Werte zu verstehen.
- Im ersten Beispiel wird die Vorlauftemperatur im Heizkreis eingeregelt, indem die vier wesentlichen Eingangsgrößen des Kompressors, des Expansionsventils, des Lüfters und der Umwälzpumpe parallel angesteuert werden und dabei gleichzeitig die Betriebsgrenzen bezüglich Hochdrucks und der Verdampfungstemperatur eingehalten werden.
-
Fig. 3 zeigt in sieben Messdiagrammen die Wirkungsweise dieses Regelungsverfahrens. In allen Diagrammen ist die Zeitachse identisch, es handelt sich um denselben Regelungsvorgang. Im obersten Diagramm ist die gemessene Vorlauftemperatur 22 des Wärmestroms 9 sowie dessen Solltemperatur 23 gezeigt. - Hierbei wurde modellhaft die Solltemperatur 22 schrittweise angehoben, wobei die Wärmepumpe an seine Belastungsgrenze geführt wurde. Im Anschluss daran wurde die Solltemperatur stark abgesenkt und langsam auf ein mittleres Niveau gesteigert.
- Im Diagramm darunter wird der Druck 24 im Hochdruckabschnitt 6 bzw. 10 des Kältekreises 1 dargestellt. Dieser Druckverlauf ergibt sich als Reaktion auf die Vorlauftemperatur 22 im Kondensator 3 aus der Temperatur, auf die sich das Kältemittel beim Kondensieren abkühlt, also auf die Gleichgewichtstemperatur. Er darf einen Maximaldruck 25 nicht übersteigen. Hier ist ein Regeleingriff in den Verdichter und in das Entspannungsventil erforderlich gewesen.
- Im Diagramm darunter wird die Verdampfertemperatur 26 gezeigt, die proportional zum Niederdruckabschnitt 11 bzw. 15 ist. Während der hohen Anforderung an die Vorlauftemperatur wurde viel Wärme benötigt, die der Umgebung entzogen werden musste. Hierzu wurde die Temperatur im Verdampfer entsprechend erniedrigt, damit die Temperaturdifferenz zur Luft der Umgebung größer wird und ein höherer Wärmestrom der Umgebungsluft entzogen werden kann. Sie darf allerdings nicht unter Null Grad fallen, um eine Vereisung zu vermeiden, diese Untergrenze wird durch Mindest-Verdampfertemperatur 27 gezeigt.
- Im Diagramm darunter wird die Eingangsgröße der Drehzahl 28 des Kältekompressors 2 gezeigt. Diese Drehzahl muss zwischen den Grenzen der Minimumdrehzahl 29 und der Maximaldrehzahl 30 liegen. Man erkennt, dass die Regelung den erhöhten Wärmebedarf zunächst durch eine höhere Drehzahl, die eine höhere Verdichtung des Kältemittels bewirkt, befriedigen will, sie dabei aber an ihre Obergrenze stößt.
- Im Diagramm darunter wird die Eingangsgröße der Öffnung 31 des Expansionsventils 4 dargestellt. Dieses Expansionsventil 4 öffnet, wenn der Wärmebedarf nicht durch eine weitere Erhöhung der Drehzahl des Kältekompressors 2 erreicht werden kann. Durch diese Öffnung steigt der Massenstrom durch dieses Ventil an, parallel dazu auch der vom Kältekompressor verdichtete Massenstrom, was aufgrund der Kompressorkennline zu einem entsprechenden Druckabfall im Hochdruckabschnitt führt. Auch bezüglich der Öffnung des Expansionsventils 4 wird eine maximale Öffnung 32 und eine minimale Öffnung 33 als Begrenzung vorgegeben.
- Im Diagramm darunter wird die Eingangsgröße der Lüfterdrehzahl 34 dargestellt. Mit dem Anstieg des Wärmebedarfs steigt die Lüfterdrehzahl an, um mehr Umgebungsluft zur Verdampferoberfläche zu fördern, der diese Wärme entzogen werden soll. auch für die Lüfterdrehzahl wird eine Maximaldrehzahl 35 und eine Minimaldrehzahl 36 festgelegt. Im vorliegenden Fall reicht aber auch das Erreichen der Maximaldrehzahl 36 nicht aus, um die Vorlauftemperatur dem Sollwert weiter anzunähern.
- Im Diagramm darunter wird die Eingangsgröße der Drehzahl 37 der Umwälzpumpe 8 dargestellt. In dem Umfang, wie eine Annäherung an die Solltemperatur 23 mit anderen Regeleingriffen nicht erfolgreich ist, verringert die Umwälzpumpe ihre Drehzahl, jedoch nur bis zur Minimumdrehzahl 38, die im vorliegenden Beispiel nicht erreicht wird, da der Sollwert der Vorlauftemperatur 23 zuvor gesenkt wurde. Auch die Umwälzpumpe wird durch eine Maximumdrehzahl 39 begrenzt.
- Wie man erkennt, wurde die Wärmepumpe an ihre Leistungsgrenze gefahren und bewusst überfordert. Obwohl fast alle Eingangsgrößen an ihr Maximum gerieten, kam es weder zur Abschaltung noch zu einer Instabilität trotz der großen Schnelligkeit der Regelung, was ein Vorteil des Regelungsverfahrens ist.
-
Fig. 4 zeigt ein Regelungsverfahren, welches auf dem zuvor gezeigten Beispiel aufbaut. Das Messdiagramm zeigt ein Zehntel des zeitlichen Verlaufs im Vergleich zuFig. 3 . Zusätzlich zur Vorlauftemperatur 22 soll als weitere Ausgangsgröße der COP verwendet werden. Die Vorlauftemperatur 22 erhält eine Solltemperatur 23, außerdem aber eine obere Vorlauftemperaturbegrenzung 40 und eine untere Vorlauftemperaturbegrenzung 41. Der COP wird aus dem Wärmestrom, der aus der Differenz der Vorlauftemperatur und der Rücklauftemperatur des Heizkreises, multipliziert mit dem Massenstrom, der von der Umwälzpumpe 8 gefördert wird, und ins Verhältnis gesetzt mit der Summe aller elektrischen Verbraucher der Wärmepumpe. Der Soll-COP 42 wird dabei möglichst hoch angesetzt, während der Ist-COP 43 dem Soll-COP angenähert wird, indem die Regelung von Kältekompressor, Lüfter und Umwälzpumpe so erfolgt, dass der elektrische Gesamtenergieverbrauch sinkt, während die Vorlauftemperatur zwischen engen Grenzen gehalten wird. - Durch diesen möglichst hohen Soll-COP, im Idealfall ist das der theoretisch erreichbare Höchstwert unter den angegebenen Bedingungen, wird eine ständige Maximierung des COP erreicht. Man erkennt das Reglerverhalten am Verlauf der Temperaturen und des COP in
Figur 4 gut. Die eingestellte Solltemperatur 23 beträgt zu Beginn des Beobachtungsintervalls 24,5 Grad Celsius, dies entspricht auch der Starttemperatur der Vorlauftemperatur 22. Während der ersten 900 Sekunden erhöht sich der COP von 3,57 auf 3,62, während die Vorlauftemperatur identisch bleibt. - Nach 900 Sekunden wird die Solltemperatur 23 auf den Wert von 24,1 Grad Celsius erniedrigt. Dies bewirkt zunächst einen kurzen Anstieg des COP aufgrund des Wärmespeichervermögens der Anlage. Während sich die Vorlauftemperatur 22 der neuen Solltemperatur 23 annähert, verbleibt der COP ungefähr auf dem Niveau, welches er vor der Solltemperaturänderung erreicht hatte, nämlich ca. 3,62.
- Eine erneute Änderung der Solltemperatur 23 auf dann 24,75 Grad Celsius nach 1700 Sekunden bewirkt zunächst eine schnelle Anhebung der Vorlauftemperatur 22, wobei ein Überschwingen zu beobachten ist. Dieses Überschwingen wird durch die obere Vorlauftemperaturbegrenzung 40 auf einen Betrag von einem Kelvin begrenzt. Der schnellen Erreichung der höheren Vorlauftemperatur 22, was der Anforderung von mehr Wärme durch den Nutzer entspricht, wird hohe Priorität eingeräumt. Aufgrund des Wärmespeichervermögens der Anlage führt dies zunächst zu einem Abfall des COP, dies entspricht in inverser Weise dem bei der Erniedrigung der Solltemperatur 23 zu erkennenden Anstieg nach 900 Sekunden. Sobald der Einschwingvorgang der Vorlauftemperatur nach etwa 2100 Sekunden beendet ist, wird der COP von dann 3,62 weiter nach oben geregelt, am Ende des Beobachtungsintervalls beträgt er 3,63. Auf diese Weise wird ein ständiger Optimierungsprozess durchgeführt.
-
- 1
- Kältekreis
- 2
- Kältekompressor
- 3
- Kondensator
- 4
- Expansionsventil
- 5
- Verdampfer
- 6
- verdichtetes Kältemittel
- 7
- Wärmeträgerstrom
- 8
- Umwälzpumpe
- 9
- Wärmestrom
- 10
- kondensiertes Kältemittel
- 11
- Kältestrom
- 12
- Umgebungsluft
- 13
- Lüfter
- 14
- Kaltluft
- 15
- erwärmtes Kältemittel
- 16
- Ausgangsgrößen
- 17
- Prädiktionshorizont
- 18
- Sollwertverlauf
- 19
- Stellgröße
- 20
- Referenztrajektorie
- 21
- Stellhorizont
- 22
- Vorlauftemperatur
- 23
- Solltemperatur
- 24
- Druck
- 25
- Maximaldruck
- 26
- Verdampfertemperatur
- 27
- Mindest-Verdampfertemperatur
- 28
- Drehzahl
- 29
- Minimumdrehzahl
- 30
- Maximumdrehzahl
- 31
- Öffnung
- 32
- Maximale Öffnung
- 33
- Minimale Öffnung
- 34
- Lüfterdrehzahl
- 35
- Maximaldrehzahl
- 36
- Minimaldrehzahl
- 37
- Drehzahl
- 38
- Minimumdrehzahl
- 39
- Maximumdrehzahl
- 40
- obere Vorlauftemperaturbegrenzung
- 41
- untere Vorlauftemperaturbegrenzung
- 42
- Soll COP
- 43
- Ist-COP
Claims (4)
- Verfahren zur Regelung oder Steuerung linearer oder nichtlinearer dynamischer Systeme eines Wärmepumpensystems mit einem linksdrehenden thermodynamischen Clausius-Rankine-Kreisprozess, das Wärmepumpensystem aufweisend- mindestens einen geregelten, elektrisch angetriebenen Kältekompressor (2) für Arbeitsfluid,- mindestens ein geregeltes Expansionsventil (4) für Arbeitsfluid,- mindestens zwei Wärmeübertrager (3, 5) für Arbeitsfluid, die von Wärmeträgerfluiden durchströmt werden,- einen Anschluss an einen Heizkreis mit einem Vorlauf und einem Rücklauf für eines der Wärmeträgerfluide,- mindestens zwei elektrisch betriebene und geregelte Fördereinrichtungen für Wärmeträgerfluide,- Messstellen für Zustandsgrößen für Arbeitsfluid und Wärmeträgerfluide,- eine Einrichtung zur elektronischen Regelung,dadurch gekennzeichnet, dass- alle Betriebsgrenzen für Druck, Temperatur, Drehzahl und Ventilöffnungen als Beschränkungsgrößen in die Regelung miteinbezogen werden,- der Regelung ein Modell aller wesentlichen dynamischen Eigenschaften der Ein- und Ausgangsgrößen zugrunde gelegt wird, mit dem für jeden Regeleingriff eine Schätzung der Ausgangsgrößen nach diesem Regeleingriff durchgeführt wird,- diese geschätzten Ausgangsgrößen des Systems in die Regelung miteinbezogen werden und ein Prädiktionshorizont (17) ermittelt wird,- daraus die Stellgrößen aller Stellglieder berechnet werden,- die Ansteuerung aller Stellgrößen gleichzeitig erfolgt,- die Solltemperatur des Wärmeträgerfluids für den Vorlauf des Heizkreislaufs des Wärmepumpensystems als erste Führungsgröße für die übrigen Stellgrößen gewählt wird,- der elektrische Gesamtenergieverbrauch der gesamten Wärmepumpe gemessen und erfasst wird,- als zweite Führungsgröße der COP-Wert gewählt wird, wobei eine vorgegebene Solltemperatur des Wärmeträgerfluids für den Vorlauf des Heizkreislaufs des Wärmepumpensystems variiert wird, und der COP-Wert gebildet wird aus dem Quotienten der Wärmeabgabe an das Wärmeträgerfluid des Heizkreislaufs und der Summe aller elektrischen Verbraucher des Wärmepumpensystems.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energieverbrauch aller elektrischen Maschinen gemessen und für jede Variation von Stellgrößen mit Einfluss auf die durch Maschinen verursachten elektrischen Verbrauchsgrößen ein Prädiktionshorizont gebildet wird, nachfolgend für jeden der aufgrund der Prädiktionshorizonte möglichen Regelungseingriffe das Gesamtminimum des elektrischen Energieverbrauchs ermittelt wird, und diese Einstellungen für den Regelungseingriff ausgewählt werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert der zweiten Führungsgröße COP-Wert auf den möglichen Maximalwert gesetzt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Begrenzung der Führungsgrößen weiche Begrenzungen verwendet werden.
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