Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Thermische Solaranlagen und W\u00e4rmepumpen werden h\u00e4ufig gemeinsam im gleichen Objekt eingesetzt.
\nHierbei ist es sinnvoll, die Solaranlage auch zur Erh\u00f6hung der Quellentemperatur f\u00fcr die W\u00e4rmepumpe zu verwenden. Die Regelungen funktionieren zur Zeit unabh\u00e4ngig voneinander, so dass damit wesentliche Energieeinsparpotentiale verschenkt werden. Das Projekt soll zeigen, wie durch eine optimierte Regelung diese Kombination energetisch g\u00fcnstiger betrieben werden kann und damit der Stromeinsatz sinkt. Diese Regelung soll entwickelt und getestet werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer Ertrag thermischer Solaranlagen ist bei niedrigen Temperaturen im Kollektor wesentlich h\u00f6her. Dadurch ist es m\u00f6glich, hohe solare W\u00e4rmemengen der W\u00e4rmepumpe als g\u00fcnstige Energiequelle zuzuf\u00fchren und damit deren Leistungszahl zu verbessern. Ausgehend von messtechnisch erfassten Werten und rechnerischen Prognosen soll ein bilanzierender Regelformalismus entwickelt werden, der den Bedarf des Hauses (W\u00e4rmemengen und Temperaturen) und die momentanen M\u00f6glichkeiten der thermi-schen Solaranlage und der W\u00e4rmepumpe aufeinander abstimmt. Entsprechend der bilanzierten W\u00e4rmemenge wird entschieden, ob es sinnvoller ist, die Solarw\u00e4rme direkt in die Heizung bzw. Warmwasserbereitung einzuspeisen oder bei der W\u00e4rmepumpe durch eine h\u00f6here Quellentemperatur die Leis-tungszahl zu verbessern. Verwendet werden soll f\u00fcr die Regelungsaufgaben ein Basic-Tiger (Mikroprozessor). Das gestattet es uns, \u00c4nderungen im Ablauf flexibel vorzunehmen. Die Entwicklung soll in drei Schritten erfolgen:
\nReglertyp 1: Durch die Tr\u00e4gheit \u00fcblicher Expansionsventile kann die W\u00e4rmepumpe nicht energetisch sinnvoll wechselnde Temperaturen verarbeiten. Daher ist es sinnvoll, in der ersten Variante die Quellentemperatur konstant zu halten. (Vorstufe f\u00fcr Typ 2)
\nReglertyp 2: Die Entscheidung, welche Einspeisung energetisch am g\u00fcnstigsten ist, soll \u00fcber eine Bilanzierung erfolgen. Hierbei sollte die Regelung so einfach gestaltet sein, dass die ben\u00f6tigten Werte von ihr selbst bestimmt werden k\u00f6nnen. (f\u00fcr alle W\u00e4rmepumpen geeignet)
\nReglertyp 3: Die Nutzung h\u00f6herer Temperaturen und eine Steigerung der Reaktionsschnelligkeit soll durch eine Modifizierung am Expansionsventil erfolgen. (nur f\u00fcr Ra-W\u00e4rmepumpen\u00ae geeignet). Durch die Optimierung der Einspeisereihenfolge der Solarertr\u00e4ge sinkt der Prim\u00e4renergieeinsatz.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Reglertyp 1 wurde in einem Projekt 8 Monate betrieben und die Daten messtechnisch erfasst. F\u00fcr Reglertyp 2 konnte ein geeignetes Messregime gefunden werden, f\u00fcr das unter der Nummer 102004042972.3 eine Patentanmeldung erfolgte. Es wurde eine einfach parametrisierbare Regelung entwickelt, die f\u00fcr alle Kollektortypen und W\u00e4rmepumpen verwendet werden kann. Sie wurde in einem Objekt installiert, getestet und optimiert. Wie angestrebt ist es damit m\u00f6glich, die Verwendung der solaren Gewinne nach der g\u00fcnstigsten Einspeisereihenfolge zu w\u00e4hlen und damit den Einsatz von Strom als Hilfsenergie zu reduzieren. Als Regelungsparameter werden Temperaturen und W\u00e4rmemengen verwendet. \u00dcber die Wirkungsgradkennlinie des Kollektors und technische Daten der W\u00e4rmepumpe wird f\u00fcr die jeweiligen Randbedingungen (Strahlung, Au\u00dfentemperatur, Temperaturen der einzelnen Verbraucher, Leistungszahlen der W\u00e4rmepumpe, Quellentemperatur der W\u00e4rmepumpe, besondere Randbedingungen wie Sperrzeiten) die optimale Einspeisereihenfolge f\u00fcr die solaren Gewinne ermittelt und die Priorit\u00e4t entsprechend bestimmt. Die wichtigen relevanten Systemparameter (Wirkungsgradkennlinie des Kollektors; Leistungszahlen in Abh\u00e4ngigkeit von der Temperatur f\u00fcr die W\u00e4rmepumpe) k\u00f6nnen in einem Startmen\u00fc gemessen oder (wenn bekannt) per Hand eingegeben werden. Damit ist gew\u00e4hrleistet, dass der Regler selbst die erforderlichen Eingaben bestimmt und damit das Betriebsverhalten steuert. Es wurde eine Computerschnittstelle geschaffen, die es erm\u00f6glicht, die Messergebnisse \u00fcber den ganzen Tag aufzuzeichnen und Zwischenergebnisse zu kontrollieren. Aussagen zur Umweltentlastung wurden im Wesentlichen nicht experimentell gewonnen, weil zum einen hierf\u00fcr im Untersuchungszeitraum nur sehr begrenzt Aussagen zur Verbesserung getroffen werden konnten, zum anderen experimentelle Aussagen nicht ohne weiteres verallgemeinert werden d\u00fcrfen, weil viele Faktoren eine Rolle spielen, wie:
\n–\tdie Auslegung des Erdabsorbers und damit die Temperaturen, die dort im jeweiligen Monat auftreten
\n–\tdie ben\u00f6tigten W\u00e4rmemengen und Heizwassertemperaturen
\n–\tdie Gr\u00f6\u00dfe der Kollektorfl\u00e4che, Ausrichtung, Dachneigung und Kollektortyp
\n–\tSpeicherart und Speicherverhalten im Haus
\nAus diesem Grund wurden die m\u00f6glichen Einsparpotentiale durch die Regelung vorerst rechnerisch mit verschiedenen Methoden ermittelt. Genauere Verfahren hierzu sind sehr aufwendig, so dass Betrachtungen f\u00fcr ausgew\u00e4hlte Konfigurationen erfolgten. Die Einsparungen bewegten sich zwischen 0 und 17,4 % des gesamten Stromverbrauchs f\u00fcr Heizung und Warmwasserbereitung. Damit sind unter geeigneten Randbedingungen trotz der h\u00f6heren Anfangsinvestition f\u00fcr die Regelung Amortisationszeiten unter 10 Jahren m\u00f6glich. Eine Kostenreduzierung bei h\u00f6heren St\u00fcckzahlen ist m\u00f6glich. Durch die Umstellung vom Einsatz eines Mikroprozessors (BASIC-Tiger) zum Mikrokontroller (ATMega) konnte bereits eine wesentliche Senkung der Herstellungskosten erreicht werden.
\nDie anfangs bef\u00fcrchteten Probleme mit zu geringem Speicherplatz traten nicht auf. Es wurde keine sinnvolle Modifizierung zur Erh\u00f6hung der Reaktionsschnelligkeit im K\u00e4ltekreis gefunden. Au\u00dferdem lassen die Prognosen zur Umweltentlastung keine wesentlichen Einsparungen durch die Modifizierung des Expansionsventils erwarten. Deshalb wurde kein Reglertyp 3 entwickelt.
\nZur besseren Prognose des Einsparpotentials mit der neuen Regelung ist eine Software in Arbeit, die der Berechnung der Reduzierung des Stromverbrauchs dienen soll. Die Regelung muss noch weiter getestet und die Bedienerfreundlichkeit erh\u00f6ht werden. Es fehlen noch Geh\u00e4use, Tastatur, EMV-Test und Bedienungsanleitung. Kleinere \u00c4nderungen sind ebenfalls noch notwendig.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Regelung wird zur Zeit im Rahmen einer Diplomarbeit (Fachhochschule Merseburg; Versorgungs- und Haustechnik) gepr\u00fcft. Diese Diplomarbeit war bereits Folge eines Vortrages auf der Messe Saalebau 2004. Der Vertrieb soll zun\u00e4chst an Kunden der Fa. Reinhard H\u00f6nig Alternative Energieanlagen erfolgen und wenn sich die Regelung bew\u00e4hrt hat auch Kunden der WPsoft GbR angeboten werden. Die Regelung soll in Vortr\u00e4gen (Haus 2005 Dresden und Forum Solarpraxis Nov. 2005) vorgestellt werden.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das avisierte Ziel wurde erreicht: Es konnte gezeigt werden, dass durch die optimierte Regelung die Kombination W\u00e4rmepumpe\/ Solaranlage energetisch g\u00fcnstiger betrieben werden kann und damit der Stromeinsatz sinkt.
\nDie Messungen sollen im Winter und Fr\u00fchjahr fortgesetzt werden.
\nZur besseren Prognose des Einsparpotentials mit der neuen Regelung ist eine Software in Arbeit, die der Berechnung der Reduzierung des Stromverbrauchs dienen soll.
\nDie Einarbeitung in die Nutzung des ATMega ist f\u00fcr uns auch f\u00fcr andere Projekte sinnvoll. Er soll zuk\u00fcnftig auch f\u00fcr die Regelung eines neuen W\u00e4rmepumpenmoduls eingesetzt werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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