Modellierung und Regelung eines Pufferspeichers in Kombination mit einer Biomassefeuerung

Published 2014

Citation: Hemmer, J. Modellierung und Regelung eines Pufferspeichers in Kombination mit einer Biomassefeuerung, Master Thesis, Technische Universität Graz, Graz, Austria, 2014.

Abstract

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Herleitung mathematischer Simulationsmodelle eines Pufferspeichers, eines Solarkollektors sowie eines Plattenwärmeübertragers. Dabei wird das Simulationsmodell des Pufferspeichers anhand eines am Markt verfügbaren Pufferspeichers entwickelt. Die mathematischen Beschreibungen der Simulationsmodelle basieren auf einer partiellen Differentialgleichung zur Beschreibung der Wärmeübertragung in einem durchströmten zylindrischen Rohr. Nach dem Erhalt der mathematischen Modelle werden diese mit einem impliziten Lösungsverfahren numerisch gelöst. Anschließend werden die experimentell zu ermittelnden Parameter des Pufferspeichermodells anhand gezielt durchgeführter Versuche bestimmt. Nach dem Ermitteln der Parameter wird das Simulationsmodell des Pufferspeichers mit einem weiteren Versuch experimentell verifiziert. Schlussendlich bildet das mathematische Modell des Pufferspeichers den untersuchten Pufferspeicher sehr zufriedenstellend ab, womit ein Simulationsmodell vorliegt, das gezielte Untersuchungen ohne aufwändige Versuche ermöglicht. Abschließend wird eine Regelung für die Wärmeübertragung aus dem Solarkollektor in den Pufferspeicher entwickelt. Dabei werden zwei in der Praxis übliche Verfahren untersucht. Bei der ersten Variante erfolgt die Übertragung der Wärme in den Pufferspeicher über ein im Pufferspeicher integriertes Solarregister. Bei der zweiten Variante erfolgt die Übertragung der Wärme über einen Plattenwärmeübertrager vom Wasser-Frostschutzgemisch auf Wasser, welches dann direkt in den Pufferspeicher eingespeist wird. Als Reglerstruktur wird in beiden Fällen ein Standard-Regelkreis mit einer statischen Vorsteuerung verwendet. Anhand von Simulationsstudien werden zunächst die Parameter des PI-Reglers festgelegt und in weiterer Folge die mit der jeweiligen Variante resultierenden Temperaturverläufe des Wassers im Pufferspeicher untersucht und gegenübergestellt. Dabei stellt sich heraus, dass die Temperatur des Wassers im Pufferspeicher, bei gleich bleibender Strahlungsstromdichte der Solarstrahlung Igauf den Solarkollektor, die gewünschte Solltemperatur bei Wärmeübertragung mittels Plattenwärmeübertrager schneller erreicht, als bei Wärmeübertragung durch das Solarregister. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung des Plattenwärmeübertragers eine Schichtung der Temperatur des Wassers im Pufferspeicher und somit eine Speicherung der Wärme auf einen höheren Temperaturniveau.