Projekt 25636/01

Innovativer Regler für thermische Solaranlagen

Projektträger

RESOL - Elektronische Regelungen GmbH
Heiskampstr. 10
45527 Hattingen
Telefon: 02324 / 9648-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projekts war die Entwicklung einer neuartigen Regelung für thermische Solaranlagen, bei der die Temperatursensoren im Kollektor und am Speicher durch Sensoren in Vor- und Rücklauf der Solarstation ersetzt werden. Die Entwicklung verspricht eine deutliche Kosteneinsparung bei der Installation und bei der Parametrisierung sowie eine Steigerung der Betriebssicherheit von Solaranlagen, weil auf den ausfallträchtigen Kollektor-Temperatursensor verzichtet wird.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAlgorithmusentwicklung
Der Regelalgorithmus sollte so entwickelt werden, dass sich bei gestiegener Betriebssicherheit und
geringerer Fehleranfälligkeit nur vernachlässigbare Ertragseinbußen gegenüber einem Standard-Regler ergeben. Die Optimierung des Algorithmus wurde durch umfangreiche TRNSYS-Simulationen des
Ingenieurbüros Tepe (ibt) unterstützt. Detailfragen wurden in den Feldtestanlagen gelöst.

Laboruntersuchungen sowie Hard- und Softwareanpassungen
Für die Entwicklung des Reglers in Kombination mit einer Solarstation wurden Laboruntersuchungen durchgeführt, Sensoren bewertet und Hardware- und Softwareanpassungen vorgenommen.

Feldtest
Das Regelverfahren wurde in sechs Feldtestanlagen erfolgreich erprobt und hielt einem Effizienzvergleich mit einem Standard-Regler stand. Bei der Auswahl der Feldtestanlagen wurde auf möglichst
große Unterschiede von Kollektorfläche, Rohrlänge, Speichergröße und Ausrichtung geachtet.

Kostenevaluation
Im Rahmen des Projekts wurde ermittelt, dass eine Reparatur des Kollektortemperatursensors etwa 180 € kostet (ohne Kosten für Nachheizenergie). Bei Neuinstallation erhält der Kunde ohne Aufpreis eine Wärmemengenmessung, eine Leckage-, eine Überdruck- sowie eine Durchflussüberwachung.


Ergebnisse und Diskussion

Der Funktionsumfang des in einer Solarstation integrierten Reglers gleicht dem eines Standard-Solarreglers bis auf den Unterschied, dass innerhalb eines täglich neu berechneten Testfensters die
Kollektor- und die Speichertemperatur regelmäßig identifiziert werden müssen. Für die zeitliche Optimierung des Testfensters werden geografische Koordinaten, Neigung, Ausrichtung, Auslastung und Jahreszeit berücksichtigt. Die Auslastung der Solaranlage, also zum Beispiel der Warmwasserverbrauch,
spiegelt sich in der typischen, morgendlichen Speichertemperatur wider, die fortlaufend adaptiert wird. Wenn die Identifikation ergibt, dass die Kollektortemperatur über der Speichertemperatur liegt, wird die Beladung des Speichers initiiert. Ist die Temperaturdifferenz nicht ausreichend, folgt eine Pause von
maximal 30 Minuten.
Eine Besonderheit des Regelverfahrens ergibt sich dadurch, dass eine volumenstromabhängige Totzeit der Vor- und der Rücklauftemperatur berücksichtigt werden muss. Das heißt, dass nach jeder Drehzahländerung eine variable Zeitspanne bis zum Einschwingen der Temperaturen abgewartet werden muss.
Weitere Detailfragen bei der Algorithmusentwicklung konnten erfolgreich gelöst werden. Die Kollektor- Notabschaltung, also die Dampferkennung, wird auf Basis des während einer Pause gemessenen Druckverlaufs realisiert. Die Pausenzeitverkürzung hat das Ziel, eine Verdampfung während Zeiten mit potenziell hoher Einstrahlung, zum Beispiel im Sommer oder zur Mittagszeit, zu vermeiden.
Die entwickelten Algorithmen sind in Feldtestanlagen mit sekündlicher Datenaufzeichnung erprobt und optimiert worden. In jeder Feldtestanlage wurde die solare Einstrahlung gemessen. Bei der Auswahl der Feldtestanlagen ist Wert auf möglichst breite Abdeckung des Marktes gelegt worden.
Drei Feldtestanlagen wurden mit Solarstationen ausgerüstet, deren Regelalgorithmus jede Woche
zwischen FlowCon Sensor- und Referenz-Regelalgorithmus umschaltete. Anhand der hohen Anzahl von Tagesergebnissen kann die Aussage getroffen werden, dass beide Regelverfahren eine etwa gleich
hohe Effizienz erzielen. An Tagen mit sehr wenig Einstrahlung sind die thermischen Verluste so gering, dass über das Jahr gesehen der Vorteil der Abschaltung nach Vor- und Rücklauftemperatursensor diese mehr als ausgleicht.
In drei weiteren Feldtestanlagen wurde der zuverlässige Betrieb der Regelung nachgewiesen und
insbesondere die Rohrleitungsadaption erfolgreich getestet. Durch eine automatische Adaption von Vorlauf- und Kollektorfeldvolumen konnte die Anzahl der erforderlichen Einstellwerte minimiert werden.
Flankierend ist eine dynamische Rohrleitungssimulation zur Untersuchung des kapazitiven Einflusses der Rohrleitung durchgeführt worden. Damit ist eine Korrektur der adaptierten Volumina sowie der
identifizierten Kollektortemperatur möglich.
Der Algorithmus ist darüber hinaus mit dem Simulationsprogramm TRNSYS abgebildet worden, um für drei unterschiedliche europäische Standorte Parametervariationen und energetische Vergleiche durchzuführen. Für die Abbildung des Regelungsverhaltens wurde ein neues Regler-Type (Nr. 930) in TRNSYS entwickelt. Die Parametervariationen betreffen vor allem die Auslastung, die Ausrichtung und die Speicher-Maximalabschaltung. In jeder Konfiguration wurde ein Vergleich zwischen FlowCon Sensor und einem Standard-Regelungsalgorithmus durchgeführt. Die Ergebnisse weisen für Nord- und Mitteleuropa eine Ertragsabweichung von ca. 10 % aus. In Südeuropa ist die Abweichung geringer. Die
Ergebnisse lassen sich nur qualitativ interpretieren, weil einige Details des Algorithmus, wie die Adaption der Speichertemperatur, die Pausenzeitverkürzung, die Wartezeit der Drehzahlregelung oder der Nachlauf, nicht umgesetzt werden konnten. Je höher die Auslastung der Solaranlage oder je höher die durchschnittliche Jahres-Einstrahlung ist, desto näher sind die Solarerträge von FlowCon Sensor und
Standard-Regler. Der Einfluss der Auslastung wird im realen FlowCon Sensor-Algorithmus durch die Adaption der Speichertemperatur verringert.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Während des Projekts wurden unterschiedliche Maßnahmen getroffen, um die Projektergebnisse und die Technologie zu veröffentlichen. Außer in Zeitschriftartikeln wurde das Forschungsprojekt im Januar 2009 auf der 1. Solarthermie-Technologiekonferenz in Berlin vorgestellt. Des Weiteren wurde die
Technologie auf der ISH 2009 in Frankfurt und auf der Intersolar 2009 in München dem breiten Publikum präsentiert. Der Regler wurde auf der Intersolar 2009 mit einem Award in der Kategorie Solarthermie ausgezeichnet.


Fazit

Die Forschungsarbeiten konnten dank der Förderung der DBU erfolgreich abgeschlossen werden. Die preisgekrönte Solarstation wurde mittlerweile zu dem Serienprodukt FlowCon Sensor.