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'content_de' => '<p style="text-align:justify">Absorptionswärmepump-Anlagen (AWPA, beschreiben sowohl Wärmepumpen als auch Kältemaschinen) nutzen thermische anstelle von mechanischer Energie als Antrieb und gelten daher als vielversprechende Möglichkeit, den Anteil erneuerbarer Energien im Wärme- und Kältesektor zu erhöhen. In der Vergangenheit wurden AWPA typischerweise bei eher konstanten, stationären Betriebsbedingungen eingesetzt - im Zuge des wachsenden Umweltbewusstseins beginnen AWPA nun aber auch für andere Anwendungen, bei denen die Betriebsbedingungen deutlich dynamischer sein können, attraktiv zu werden.</p>
<p style="text-align:justify">Die derzeit eingesetzten Regelungsstrategien sind oft nicht in der Lage, die Anforderungen für diese variierenden Betriebsbedingungen zu erfüllen. Aus diesem Grund zielte das Projekt HPC darauf ab, die Regelung von AWPA zu verbessern, indem die gekoppelten und teilweise nichtlinearen Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Prozessgrößen sowie die Schwankungen externer Störungen (wie z.B. schwankende Vorlauftemperaturen) explizit berücksichtigt und kompensiert werden sollen. Dafür wurden im Projekt HPC modellbasierte Regelungsstrategien für AWPA entwickelt.</p>
<p style="text-align:justify">Dazu wurde zunächst ein Teststand mit umfangreicher Mess- und Steuertechnik für zwei AWPA (eine H2O/LiBr und eine NH3/H2O Maschine) geplant und gebaut, sowie zahlreiche Versuche zur Untersuchung des statischen und dynamischen Verhaltens der beiden Anlagen durchgeführt. Daraufhin wurden jeweils zwei Modellarten zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens der beiden Maschinen entwickelt, die jeweils unterschiedlichen Zwecken dienen: Die erste Modellart (<em>Simulationsmodell</em>) beschreibt das Anlagenverhalten sehr detailliert und hat den Zweck, als virtueller Teststand zu dienen. Damit können z.B. die Untersuchung von Teillastverhalten und Betriebspunktwechsel und das Testen von neuen Regelstrategien kosteneffizient, schnell und sicher in der Simulation erfolgen. Die zweite Modellart (<em>Reglerentwurfsmodell</em>) beschreibt die wichtigsten Elemente des Anlagenverhaltens mittels möglichst einfacher mathematischer Zusammenhänge und hat den Zweck, direkt beim Entwurf des Reglers eingesetzt zu werden, um das Anlagenverhalten explizit zu berücksichtigen. Die Ergebnisse für beide Modellklassen können für den jeweiligen Einsatzzweck (Simulation und Reglerentwurf) als sehr zufriedenstellend bezeichnet werden (siehe Abbildung 2).</p>
<p style="text-align:justify">Mithilfe dieser Modelle erfolgte daraufhin durch iterative Entwicklung und Validierung in der Simulation und am realen Teststand der Entwurf von zwei modellbasierten Regelungsstrategien für AWPA: Einerseits der Entwurf eines modellprädiktiven Reglers (MPC – Model predictive control) und andererseits der Entwurf eines Zustandsreglers. Beide Regelungsstrategien basieren auf Mehrgrößen-Regelungsansätzen, die die Einbindung von mehreren Stellgrößen ermöglichen und so den Betriebsbereich, in dem die AWPA geregelt werden kann, gegenüber herkömmlichen Einzelgrößen-Reglern vergrößern kann. Dies bedeutet eine verbesserte Regelgüte insbesondere in Teillastsituationen und reduzierten ON/OFF Betrieb. Zusätzlich ermöglicht der modellprädiktive Regelungsansatz (MPC) zum einen die Berücksichtigung von Prognosedaten für Störgrößen (wie etwa variierende Eintrittstemperaturen) und zum anderen die Priorisierung von Regelgrößen, sodass selbst beim Betrieb im äußersten Stellbereich die hoch priorisierten Regelgrößen nach wie vor nahe am Sollwert gehalten werden können. Schlussendlich sollen die entwickelten modellbasierten Regelungsstrategien die Zuverlässigkeit und Modulierbarkeit von AWPA erhöhen, um damit ihren Einsatz auch für Anwendungen mit variierenden Betriebsbedingungen zu erleichtern.</p>
<hr />
<h2><strong>>>> <a href="https://www.best-research.eu/de/publikationen/view/1211">Download Endbericht</a> <<<</strong></h2>
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'content_en' => '<p style="text-align:justify">Absorption heat pumping systems (AHPS, comprising heat pumps and chillers) use thermal instead of mechanical energy as driving power and are therefore considered a promising way to increase the share of renewable energies in the heating and cooling sector. Historically, AHPS have typically been operated at rather constant, steady state operating conditions - in the course of growing environmental awareness, however, AHPS now start to become attractive also for other applications, where operating conditions can be significantly more dynamic.</p>
<p style="text-align:justify">The currently used control strategies are often not able to meet the requirements for these varying operating conditions. Therefore, the project HPC aims at improving the control of AHPS by explicitly considering and compensating for the coupled and partly non-linear correlations between the different process variables, as well as fluctuations of external disturbances like varying inlet temperatures. For this purpose, model-based control strategies for AHPS were developed.</p>
<p style="text-align:justify">To this end, a test stand with extensive measurement and actuator technology for two AHPS (one H2O/LiBr and one NH3/H2O machine) was planned and built, and numerous tests were carried out to investigate their static and dynamic behavior. Then, two types of models were developed to describe their dynamic behavior, where each of them serves different purposes: The first model type (simulation model) describes the plant behavior in great detail and has the purpose of serving as a virtual test bench. This allows, for example, the investigation of partial load behavior and operating point changes, and the testing of new control strategies to be carried out cost-efficiently, quickly and reliably in the simulation. The second type of model (controller design model) describes the most important elements of the plant behavior by means of mathematical relationships that are as simple as possible and has the purpose of being used directly when designing the model-based control strategy to explicitly consider the plant behavior. The results for both model classes can be described as very satisfactory for the respective purpose (simulation and controller design) (see Figure 2).</p>
<p style="text-align:justify">By means of these models, two model-based control strategies for AHPS were then designed through iterative development and validation in the simulation and on the real test bench: on the one hand, the design of a model predictive control (MPC) and, on the other hand, the design of a state feedback controller. Both control strategies are based on multivariable control approaches, which allow the integration of multiple manipulated variables and thus increase the operating range in which the AHPS can be controlled, compared to conventional single-variable control approaches. This means improved control performance especially in partial load situations and reduced ON/OFF operation. In addition, the model predictive control (MPC) approach allows, on the one hand, the consideration of prediction data for disturbance variables (such as varying inlet temperatures) and, on the other hand, the prioritization of controlled variables, so that even during operation at the limit of the operating range, the highly prioritized controlled variables can still be kept close to the setpoint. Finally, the developed model-based control strategies are expected to increase the reliability and modulation capability of AHPS, thus facilitating its use also for applications with varying operating conditions.</p>
<hr />
<h2><strong>>>> <a href="https://www.best-research.eu/content/en/publications/view/1211">Download Final Report</a> <<<</strong></h2>
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'image_1_caption_de' => 'Abbildung 1. Aufbau des Teststands für die beiden AWPA (NH3/H2O- und H2O/LiBr- Maschine) ',
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<p>Technische Universität Graz - Institut für Wärmetechnik</p>
<p><img alt="" src="/webroot/files/image/Projektseite/SOLID_Claim_blau-100.jpg" style="height:259px; width:652px" /></p>
<p>SOLID Solar Energy Systems GmbH</p>
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<p>Pink GmbH</p>
<p><img alt="" src="/webroot/files/image/Projektseite/EAW.jpg" style="height:223px; width:800px" /></p>
<p>EAW Energieanlagenbau GmbH Westenfeld</p>
<p><img alt="" src="/webroot/files/image/Projektseite/AEE%20Intec%20-%20300dpi%20rgb_390x500_original_F%C3%9CR%20DRUCK.jpg" style="height:500px; width:393px" /></p>
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<p> </p>
<p> </p>
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perform insufficiently well, since they usually do not explicitly consider the systems’ dynamics and crosscoupling effects. One promising approach to improve their performance is to apply model-based control strategies since they would allow for an explicit consideration of these system characteristics. Therefore, mathematically simple models of the system to be controlled are required. This contribution proposes a new approach for such a model for a H2O-LiBr AHPS. The model results from the linearization of a more complex, nonlinear simulation model, leading to a simple, but physically still meaningful linear state-space model structure. The experimental validation shows that the developed model describes the system’s dynamics and cross-coupling effects sufficiently well and indicates that it is suitable to serve as a basis for the development of a model-based control strategy for AHPS.</p>
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<br />
Im Rahmen dieses Konferenzbeitrags werden Komponentenmodelle für die NH3/H2O-Absorptionskälteanlage und Simulationsrechnungen bei veränderlichen Randbedingungen präsentiert, sowie ein Vergleich mit Messdaten diskutiert.</p>
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<br />
In this paper, a dynamic simulation model of an ARS with the working pair ammonia/water (NH3/H2O) is presented. The parameterization and the physical correlations of selected components of the simulation model are described. Afterwards, the simulation model is verified by comparing simulation results with measurement data of the NH3/H2O-ARS. Finally, the capabilities of the simulation model are demonstrated by performing a simulation-based analysis of the temperature glide of the refrigerant in the evaporator.</p>
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'abstract' => '<p>Absorption heat pumping systems (AHPSs, comprising absorption heat pumps and chillers) are devices that mainly use thermal energy instead of electricity to generate heating and cooling. This thermal energy can be provided by, e.g., waste heat or renewable energy sources such as solar energy, which allow AHPSs to contribute to ressource-efficient heating and cooling systems. Despite this benefit, AHPSs are still not a widespread technology. One reason for this is unsatisfactory controllability under varying operating conditions, which results in poor modulation and partial load capability. Emloying model-based control is a promising approach to address this issue, which will be the focus of this contribution.<br />
First, a viable control-oriented model for AHPSs is developed. It is based on physical correlations to facilitate systematic adaptions to different scales and operating conditions and considers only the most relevant mass and energy stores to keep the model order at a minimum. The resulting model is mathematically simple but still has the structure of a nonlinear differential-algebraic system of equations. This is typical for models of thermo-chemical<br />
processes, but is unfortunately not suitable for many control design methods. Therefore, linearization at an operating point is discussed to derive a model in linear state space representation. Experimental validation results show that the linearized model does have slightly worse steady-state accuracy than the nonlinear model, but that the dynamic accuracy seems to be almost unaffected by the linearization and is considered sufficiently good to be used in control design.<br />
As a next step, the linearized model is used to design model-based control strategies for AHPSs. A special focus is put on redundantly-actuated configurations, i.e. configurations with more manipulated variables than controlled variables, which allows using additional degrees of freedom to extend the operating range of AHPS and hence improve their partial load capability. Two model-based control approaches are discussed: First, a linear model predictive control (MPC) approach is presented - a well-established and generally easy-to-parameterize approach, which, however, often results in high computational effort prohibitive to its implementation on a conventional PLC. Therefore, a second control approach based on state feedback is presented which is mathematically simple enough for implementation on a conventional PLC. It consists of an observer for state variables and unknown disturbances, a state feedback controller and, in case of redundantly-actuated configurations, a dynamic control allocation algorithm. Both approaches are experimentally validated and compared to a state-of-the art control approach based on SISO PI control, showing that the model-based MIMO control approaches allow for a wider operating range and hence better modulation and partial load capability compared to the SISO PI approach. This, in turn, reduces ON/OFF operation of AHPSs and also facilitates their integration into complex energy systems to generate heating and cooling in a ressource-efficient manner.</p>
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'abstract' => '<p>Absorption heat pumping devices (AHPDs, comprising absorption heat pumps and chillers) are devices that use thermal energy instead of electricity to generate heating and cooling, thereby facilitating the use of waste heat and renewable energy sources such as solar or geothermal energy. Despite this benefit, widespread use of AHPDs is still limited. One reason for this is partly unsatisfactory control performance under varying operating conditions, which can result in poor modulation and part load capability. A promising approach to tackle this issue is using dynamic, model-based control strategies, whose effectiveness, however, strongly depend on the model being used. This paper therefore focuses on the derivation of a viable dynamic model to be used for such model-based control strategies for AHPDs such as state feedback or model-predictive control. The derived model is experimentally validated, showing good modeling accuracy. Its modeling accuracy is also compared to alternative model versions, that contain other heat transfer correlations, as a benchmark. Although the derived model is mathematically simple, it does have the structure of a nonlinear differential–algebraic system of equations. To obtain an even simpler model structure, linearization at an operating point is discussed to derive a model in linear state space representation. The experimental validation shows that the linear model does have slightly worse steady-state accuracy, but that the dynamic accuracy seems to be almost unaffected by the linearization. The presented new modeling approach is considered suitable to be used as a basis for the design of advanced, model-based control strategies, ultimately aiming to improve the modulation and part load capability of AHPDs.</p>
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<br />
<br />
<br />
Zunächst wird ein geeignetes dynamisches Modell abgeleitet, das im modellbasierten Regelungsansatz verwendet werden soll. Es handelt sich um ein physikalisch basiertes Modell mit modularer Struktur, was eine systematische Anpassung an verschiedene AWPA erleichtert. Um die Anzahl der Zustandsvariablen niedrig zu halten, werden nur diejenigen Masse- und Energiespeicher berücksichtigt, die zu Zeitkonstanten und Totzeiten führen, die für die spätere Regelungsaufgabe relevant sind. Das entwickelte Modell ist mathematisch einfach, hat jedoch die Struktur eines nichtlinearen differential-algebraischen Gleichungssystems. Als solches ist es sehr gut als Simulationsmodell geeignet um verschiedene Regelungsstrategien in der Simulation zu testen, aber es ist zu komplex für viele modellbasierte Regelungsmethoden. Um eine noch einfachere Modellstruktur zu erhalten, wird das Modell an einem Betriebspunkt linearisiert, was auf ein Modell in linearer Zustandsraumdarstellung führt. Die entwickelten nichtlinearen und linearen Modelle werden experimentell validiert und mit zwei alternativen Modellierungsansätzen als Benchmark verglichen. Ein Vergleich zwischen dem abgeleiteten nichtlinearen Modell und den Benchmark-Modellen zeigt eine höhere Genauigkeit für das neue Modell, sowohl stationär als auch dynamisch. Ein Vergleich zwischen dem abgeleiteten nichtlinearen und dem linearisierten Modell zeigt, dass das linearisierte Modell zwar eine etwas schlechtere stationäre Genauigkeit aufweist, die dynamische Genauigkeit jedoch durch die Linearisierung nahezu unbeeinflusst zu sein scheint. Das vorgestellte neue linearisierte AWPA -Modell gilt daher als geeignet, als Grundlage für den Entwurf des modellbasierten Regelansatzes verwendet zu werden.<br />
<br />
<br />
<br />
Als nächstes wird dieses Modell verwendet, um einen neuen modellbasierten Regelungsansatz für AWPA zu entwerfen. Der neue Regelungsansatz kann für verschiedene AWPA-Anwendungen und damit für verschiedene Regelungskonfigurationen verwendet werden, d.h., verschiedene Kombinationen von Stell- und Regelgrößen. Er kann auch für redundante aktuierte Konfigurationen mit mehr Stell- als Regelgrößen verwendet werden, was die Erweiterung des Betriebsbereichs einer AWPA ermöglicht. Der Ansatz besteht aus einem Beobachter für die Zustandsvariablen und unbekannte Störgrößen, einem Zustandsregler und, im Falle von redundant aktuierten Konfigurationen, einem Algorithmus zur dynamischen Stellgrößenverteilung. Der vorgeschlagene Regelungsansatz wird experimentell für zwei verschiedene Regelungskonfigurationen validiert und mit zwei Benchmark-Ansätzen verglichen – einem Eingrößen-PI-Regler (Single-input-single-output (SISO) PI-Regler), der den Stand der Technik repräsentiert, und einem modellprädiktiven Regelungsansatz (model predictive control, MPC) als alternative fortschrittliche Regelungsmethode. Die experimentelle Validierung zeigt, dass die beiden MIMO-Regelungsansätze (der vorgeschlagene Zustandsregler und der MPC-Ansatz) einen erweiterten Betriebsbereich und somit eine bessere Teillastfähigkeit im Vergleich zum SISO-PI-Regler ermöglichen. Während MPC durch die Notwendigkeit zur kontinuierlichen Lösung eines Optimierungsproblems im Allgemeinen eine vergleichsweise hohe Rechenleistung benötigt, ist der vorgeschlagene Zustandsregler-Ansatz mathematisch einfach genug, um auf herkömmlichen speicherprogrammierbaren Steuerungen für AWPA implementiert werden zu können. Er wird daher als vielversprechender neuer Regelungsansatz für AWPA betrachtet, der die Möglichkeit bietet, ihren Betriebsbereich zu erweitern und ihre Teillastfähigkeit zu verbessern, was wiederum eine einfachere Einbindung in moderne Energiesysteme ermöglicht und somit die Nutzung nachhaltiger Wärmequellen für Heizen und Kühlen erleichtert.</p>
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HPC: Modellbasierte Regelung von Absorptionswärmepump-Anlagen
Absorptionswärmepump-Anlagen (AWPA, beschreiben sowohl Wärmepumpen als auch Kältemaschinen) nutzen thermische anstelle von mechanischer Energie als Antrieb und gelten daher als vielversprechende Möglichkeit, den Anteil erneuerbarer Energien im Wärme- und Kältesektor zu erhöhen. In der Vergangenheit wurden AWPA typischerweise bei eher konstanten, stationären Betriebsbedingungen eingesetzt - im Zuge des wachsenden Umweltbewusstseins beginnen AWPA nun aber auch für andere Anwendungen, bei denen die Betriebsbedingungen deutlich dynamischer sein können, attraktiv zu werden.
Die derzeit eingesetzten Regelungsstrategien sind oft nicht in der Lage, die Anforderungen für diese variierenden Betriebsbedingungen zu erfüllen. Aus diesem Grund zielte das Projekt HPC darauf ab, die Regelung von AWPA zu verbessern, indem die gekoppelten und teilweise nichtlinearen Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Prozessgrößen sowie die Schwankungen externer Störungen (wie z.B. schwankende Vorlauftemperaturen) explizit berücksichtigt und kompensiert werden sollen. Dafür wurden im Projekt HPC modellbasierte Regelungsstrategien für AWPA entwickelt.
Dazu wurde zunächst ein Teststand mit umfangreicher Mess- und Steuertechnik für zwei AWPA (eine H2O/LiBr und eine NH3/H2O Maschine) geplant und gebaut, sowie zahlreiche Versuche zur Untersuchung des statischen und dynamischen Verhaltens der beiden Anlagen durchgeführt. Daraufhin wurden jeweils zwei Modellarten zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens der beiden Maschinen entwickelt, die jeweils unterschiedlichen Zwecken dienen: Die erste Modellart (Simulationsmodell) beschreibt das Anlagenverhalten sehr detailliert und hat den Zweck, als virtueller Teststand zu dienen. Damit können z.B. die Untersuchung von Teillastverhalten und Betriebspunktwechsel und das Testen von neuen Regelstrategien kosteneffizient, schnell und sicher in der Simulation erfolgen. Die zweite Modellart (Reglerentwurfsmodell) beschreibt die wichtigsten Elemente des Anlagenverhaltens mittels möglichst einfacher mathematischer Zusammenhänge und hat den Zweck, direkt beim Entwurf des Reglers eingesetzt zu werden, um das Anlagenverhalten explizit zu berücksichtigen. Die Ergebnisse für beide Modellklassen können für den jeweiligen Einsatzzweck (Simulation und Reglerentwurf) als sehr zufriedenstellend bezeichnet werden (siehe Abbildung 2).
Mithilfe dieser Modelle erfolgte daraufhin durch iterative Entwicklung und Validierung in der Simulation und am realen Teststand der Entwurf von zwei modellbasierten Regelungsstrategien für AWPA: Einerseits der Entwurf eines modellprädiktiven Reglers (MPC – Model predictive control) und andererseits der Entwurf eines Zustandsreglers. Beide Regelungsstrategien basieren auf Mehrgrößen-Regelungsansätzen, die die Einbindung von mehreren Stellgrößen ermöglichen und so den Betriebsbereich, in dem die AWPA geregelt werden kann, gegenüber herkömmlichen Einzelgrößen-Reglern vergrößern kann. Dies bedeutet eine verbesserte Regelgüte insbesondere in Teillastsituationen und reduzierten ON/OFF Betrieb. Zusätzlich ermöglicht der modellprädiktive Regelungsansatz (MPC) zum einen die Berücksichtigung von Prognosedaten für Störgrößen (wie etwa variierende Eintrittstemperaturen) und zum anderen die Priorisierung von Regelgrößen, sodass selbst beim Betrieb im äußersten Stellbereich die hoch priorisierten Regelgrößen nach wie vor nahe am Sollwert gehalten werden können. Schlussendlich sollen die entwickelten modellbasierten Regelungsstrategien die Zuverlässigkeit und Modulierbarkeit von AWPA erhöhen, um damit ihren Einsatz auch für Anwendungen mit variierenden Betriebsbedingungen zu erleichtern.
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Projektvolumen
EUR 1,039.296,--
Projektlaufzeit
2018-05-01 - 2021-04-30
Finanzierung
Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Energieforschungsprogramms 2017 durchgeführt. FFG / Energieforschungsprogramm - 4. Ausschreibung Energieforschung 2017
Projektpartner
Technische Universität Graz - Institut für Wärmetechnik
SOLID Solar Energy Systems GmbH
Pink GmbH
EAW Energieanlagenbau GmbH Westenfeld
AEE - Institut für Nachhaltige Technologien
Area Management
Markus GÖLLES
markus.goelles@best-research.eu
Publikationen
Endbericht: Heat Pumping system Control (HPC)
Experimentally verified dynamic simulation model of a NH3/H2O-absorption refrigeration system
Experimentally verified dynamic simulation model of a NH3/H2O-absorption refrigeration system
MATHEMATICAL MODEL FOR MODEL-BASED CONTROL OF ABSORPTION HEAT PUMPING SYSTEMS
Model-based control of absorption heat pumping systems
Control-oriented modeling of a LiBr/H2O absorption heat pumping device and experimental validation