DE102018109785A1

DE102018109785A1 - Prädiktive Regelung einer Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102018109785A1
Application number: DE102018109785.9A
Authority: DE
Inventors: Roland Clauss
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2018-04-24
Filing date: 2018-04-24
Publication date: 2019-10-24
Also published as: ES2932453T3; EP3564601B1; EP3564601A1

Abstract

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, 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 (17) ermittelt wird, daraus die Stellgrößen aller Stellglieder berechnet werden, die Ansteuerung aller Stellgrößen gleichzeitig erfolgt.

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.
Mit Hilfe der Übertragungsfunktionen können die Ausgangsgrößen y des Systems vorhergesagt und für einen gewissen Prädiktionshorizont in die Regelung miteinbezogen werden. Dadurch reagiert der Regler frühzeitig auf eine sich ändernde Führungsgröße w 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.
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.
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,
- 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.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass die Solltemperatur des Wärmeträgerfluids für den Vorlauf des Heizkreislaufs des Wärmepumpensystems als Führungsgröße für die übrigen Stellgrößen gewählt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der elektrische Energieverbrauch aller elektrischen Maschinen sowie der elektrische Gesamtenergieverbrauch der gesamten Wärmepumpe gemessen und erfasst wird.
.In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass als 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 einer weiteren Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass 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.
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 1 bis 4:

1: ein allgemeines Fließschema einer Wärmepumpe mit Messstellen und Regelungsgrößen
2: einen grundsätzlichen Verlauf eines Prädiktionssystems,
3: ein Beispiel mit Führungsgrößen und Eingangsgrößen,
4: ein Beispiel mit dem COP als Zielgröße.

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 Klimatisieru ng.
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.
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.
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.
4 zeigt ein weiteres Regelungsverfahren, welches auf dem zuvor gezeigten Beispiel aufbaut. Das Messdiagramm zeigt ein Zehntel des zeitlichen Verlaufs im Vergleich zu 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.
Bezugszeichenliste

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

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, - 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.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Solltemperatur des Wärmeträgerfluids für den Vorlauf des Heizkreislaufs des Wärmepumpensystems als Führungsgröße für die übrigen Stellgrößen gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energieverbrauch aller elektrischen Maschinen sowie der elektrische Gesamtenergieverbrauch der gesamten Wärmepumpe gemessen und erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als 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 4, dadurch gekennzeichnet, dass 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.