EP1987402A1 - Modellbasierte prädiktive regelung einer gebäude-energieanlage - Google Patents

Modellbasierte prädiktive regelung einer gebäude-energieanlage

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EP1987402A1
EP1987402A1 EP07712263A EP07712263A EP1987402A1 EP 1987402 A1 EP1987402 A1 EP 1987402A1 EP 07712263 A EP07712263 A EP 07712263A EP 07712263 A EP07712263 A EP 07712263A EP 1987402 A1 EP1987402 A1 EP 1987402A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
control
energy
optimization
energy system
criterion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP07712263A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Gwerder
Conrad GÄHLER
Nina Laubacher
Jürg Tödtli
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1987402A1 publication Critical patent/EP1987402A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/048—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators using a predictor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/80—Diagnostics
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling and regulating a power plant having at least one heat and power unit for a building, and to arrangements for carrying out the method, according to the preambles of claims 1, 14, 15 and 19.
  • a predictive device for regulating or controlling supply quantities of a building is known, for example, from EP-A-1074900.
  • the invention has for its object to provide a method by which at least one power-heat coupling device having energy system of a building can be controlled and / or regulated according to selectable optimization criteria.
  • An arrangement should be specified with which the method can be carried out.
  • an arrangement should be specified which can generally be used as a tool for dimensioning energy systems.
  • the claimed method can also be used advantageously in an arrangement for determining the so-called performance bond of an energy system, which allows a comparison with control and / or control devices operating according to other methods.
  • FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of the power plant
  • Fig. 6 is an action plan of a hot water tank in connection with the third embodiment.
  • Fig. 7 is an action plan of a floor heating in connection with the third embodiment.
  • FIG. 1 denotes a force-heat coupling device which can be controlled and / or regulated by means of a control and regulating device 2.
  • the combined heat and power unit 1 is part of an energy system for a building.
  • the energy system has an additional boiler system 3, a service water system 4, a buffer memory 5 and a space heating system 6.
  • a flow line 10 and a return line 11 form a connection for a heat transfer between the cogeneration unit 1, the auxiliary boiler system 3, the Service water system 4, the buffer memory 5 and the space heating system 6.
  • the heat transfer medium is typically heating water.
  • the power-heat coupling device 1 here has a Stirling engine.
  • the combined heat and power unit 1 is basically a device or an arrangement of devices by which - or by the - a return of electrical energy W from the power plant is made possible in an electrical energy network 12 and its - or their - waste heat in the energy system is usable.
  • the electric power network 12 is, for example, a home network or a public network.
  • the power-heat coupling device 1 can basically be constructed on a different basis than on the Stirling engine; for example, based on a fuel cell or an explosion engine.
  • the system components 3, 4 and 6 are operated via other control and control devices: the auxiliary boiler system 3 is a control and control unit 13, the service water system 4 a control and control unit 14 and the space heating system 6 a control and 16 assigned.
  • control signals for the control and regulating devices 2, 13, 14 and 16 of the power plant can be generated.
  • control signals generated by the control and regulating device 20 are the combined heat and power unit 1 and the auxiliary boiler system 3, the
  • control and regulating devices 2, 13, 14 and 16 optimally controlled and / or regulated.
  • the control and regulating device 20 has at least one correspondingly programmed Processor 22, through which an optimization of the operation of the power plant according to certain criteria and taking into account the model 21 is feasible.
  • a first external signal a is an example of information about the current rate of electrical energy and a second external signal b includes a current weather forecast.
  • the additional boiler installation 3 arranged in the exemplary energy installation, as well as the service water installation 4 and the space heating installation 6, could in principle be designed for operation with any energy source, for example for operation with oil, gas, wood, coal, electricity or a bio-energy source.
  • 25 denotes a cogeneration unit, 26 an auxiliary heat generator, 27 a storage of electrical energy Q e (t) and 28 a heat storage with the energy Qth (t).
  • Additional heat generator 26 supplied energy u th ⁇ t) and the consumption of electrical energy q e ⁇ (t) and thermal energy q th (t) shown.
  • 30 means a first integrator and 31 a second integrator.
  • the first integrator 30 models the Heat storage 28;
  • the second integrator 31 models the memory 27 of electrical energy.
  • Symbols used in connection with the second embodiment mean: The cost of a unit of the fuel supplied to the cogeneration unit 25; Cost of a unit of the additional heat generator 26 supplied
  • An exemplary building energy system includes heat generator, heat consumers, electrical loads 43 and a higher-level controller 40 of the building energy system.
  • the heat generator are a Stirling engine 41 and an auxiliary burner 42.
  • the heat consumers here are a water heater 44 and a building with heat emitting devices 45th
  • the heat output of the heat generator becomes a first
  • the Banker 46 and 47 are coupled via a flow line 48 and a return line 49 with the hot water boiler 44 and the heat emitting devices 45.
  • the higher-level control system 40 of the building energy system also ensures that the electrical power requirements of the electrical loads in the building can be covered, namely by means of the produced by the Stirling engine 41 and / or the public network related electrical power. If the Stirling engine 41 generates more electrical power than the demand in the building, the electric power is exported to the public electric grid.
  • the higher-level controller 40 advantageously the flow temperature Tv, the outside temperature T A , the room temperature T R , the storage tank temperature T S p of the service water and tariff information to be supplied.
  • FIG. 5 shows an action plan of the modeled building energy system with the subsystems heat generator WE and heat consumer WV and associated input and output signals.
  • the modeled building energy system includes the heat generator WE and the heat consumer WV.
  • the modeled heat generators are the Stirling engine SM and the auxiliary burner ZB.
  • the modeled Heat consumers WV include a hot water storage WWSp and a heating circuit with a floor heating BH and the building Geb.
  • Disturbances are the hot water demand Q ww Bed , the ambient temperature TU 1 MG ', which prevails around the hot water tank, the outside temperature T A , the power demand P el Bed and the internal and external external heat ß FL with the airing can be detected.
  • Heat generator • Stirling machine with control signal u SM
  • Temperature tolerance band lie and the flow temperature T v may not exceed a certain temperature value.
  • the control signal u HK is an auxiliary signal, which divides the generated thermal power Q th on the two heat consumers, namely on the
  • the heat flow Q th wws p must always be positive. This also prevents energy from being drawn from the hot water storage and supplied to the heating circuit.
  • the disturbance Q ⁇ Bed refers to the thermal power, which is obtained from the hot water tank for the everyday use of Hot water in the household. This power must always be available and the memory must therefore have enough energy stored.
  • the hot water tank is modeled as a linear system of differential equations.
  • the input, output and disturbance variables are shown in FIG. 6.
  • Floor heating block BH is modeled as this heat passes through the water pipes and through the soil layers in the room and this supplies the necessary heat output QBH G eh .
  • the modeled building consists of exterior walls and a number of partitions.
  • the heat loss of the building is composed of the loss through the exterior walls and the windows as well as the natural air exchange and ventilation losses. optimization problem
  • an auxiliary variable z is introduced. The following conditions for the auxiliary variable z must be observed:
  • Quality criterion The optimum operating mode of the building energy system specified here is the cost-optimal operation.
  • the quality criterion J should be minimized over the optimization horizon (N steps with time increment At):
  • the quality criterion sums up the energy costs of the Stirling engine, the auxiliary burner and the costs of drawing electrical energy beyond the optimization horizon. These costs for the purchase of electrical energy can also be negative, namely, when electrical energy is exported. In this case, electrical energy is sold.
  • the conditions for the auxiliary variable z allow different costs k imp for purchases or gains g exp for
  • a criterion for the optimization according to current needs of the operator of the energy system can be selected.
  • the criterion of optimization can be an example of a measure of the operating costs of the energy system or a measure of the energy costs of the energy system.
  • the criterion of optimization can also be an indicator for the primary energy consumption of the energy system or a measure of the carbon dioxide emissions produced by the energy system.
  • the criterion of optimization may be a measure of the particulate matter output produced by the energy system. If necessary, but also after
  • the criterion of optimization in another exemplary case is a combination of at least two masses or indicators for operating costs, energy costs, primary energy consumption, carbon dioxide or particulate matter emissions.
  • the criterion of optimization can also be time-dependent.
  • a control and regulating device 20 which operates according to a method according to one of claims 1 to 13 allows the construction of an arrangement for dimensioning a power-heat coupling device 1 having energy system for a building.
  • Cogeneration device 1 are dimensioned.
  • said arrangement for dimensioning the energy system also allows optimal
  • a variant of the arrangement for dimensioning a power-heat coupling device 1 having energy system for a building has a model used for the optimization of the power plant a control and
  • Control device which operates according to a method according to one of claims 1 to 13.

Landscapes

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Abstract

In einem Verfahren zur Prädiktiven Steuerung und/oder Regelung einer wenigstens, ein Kraft-Wärmekopplungs-Gerät (1) aufweisenden Energieanlage eines Gebäudes werden Leitsignale für ein dem Kraft-Wärmekopplungs-Gerät (1) zugeordnetes Steuer- und Regelgerät (2) durch eine dem Steuer- und Regelgerät übergeordnete Steuer- und Regeleinrichtung (20) generiert, wobei zur Generierung der Leitsignale ein Modell (21) des thermischen und energetischen Verhaltens des Gebäudes und der Energieanlage sowie deren Benutzer verwendet wird, und eine Optimierung über einen gleitenden Zeithorizont durchgeführt wird. Ein Kriterium für die Optimierung ist nach aktuellen Bedürfnissen des Betreibers der Energieanlage wählbar. Das Kriterium der Optimierung ist beispielsweise ein Indikator für den Primärenergieverbrauch der Energieanlage oder aber ein Mass für den von der Energieanlage produzierten Kohlendioxid-Ausstoss.

Description

Modellbasierte prädiktive Regelung einer Gebäude-Energieanlage
Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer wenigstens ein Kraft-Wärmekopplungs-Gerät aufweisenden Energieanlage für ein Gebäude, sowie auf Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens, gemäss den Oberbegriffen der Ansprüche 1 , 14, 15 und 19.
Stand der Technik Eine prädiktive Einrichtung zum Regeln oder Steuern von Versorgungsgrössen eines Gebäudes ist beispielsweise aus EP-A-1074900 bekannt.
Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine wenigstens ein Kraft-Wärmekopplungs-Gerät aufweisende Energieanlage eines Gebäudes nach wählbaren Optimierungskriterien Steuer- und/oder regelbar ist. Zu dem soll eine Anordnung angegeben werden, mit der das Verfahren ausführbar ist. Ferner ist eine Anordnung anzugeben, die allgemein als Werkzeug zur Dimensionierung von Energieanlagen einsetzbar ist.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1 , 14, 15 oder 19 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das beanspruchte Verfahren ist auch vorteilhaft in einer Anordnung zur Ermittlung des so genannten Performance Bound einer Energieanlage einsetzbar, was einen Vergleich mit nach anderen Verfahren arbeitenden Regel- und/oder Steuergeräten ermöglicht.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Hilfe von Zeichnungen näher erläutert. Angaben zu den Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Energieanlage,
Fig. 2 ein Energieflussdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der Energieanlage,
Fig. 3 ein Wirkungsplan mit Eingabe- und Steuergrössen des zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 4 ein Prinzipschema mit einem Wirkungsplan zu einem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 ein Wirkungsplan einer Gebäude-Energieanlage gemäss dem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 ein Wirkungsplan eines Warmwasserspeichers im Zusammenhang mit dem dritten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 7 ein Wirkungsplan einer Bodenheizung im Zusammenhang mit dem dritten Ausführungsbeispiel.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Erstes Ausführungsbeispiel In der Fig. 1 bedeutet 1 ein Kraft-Wärmekopplungs-Gerät, welches über ein Steuer- und Regelgerät 2 steuerbar und/oder regelbar ist.
Das Kraft-Wärmekopplungs-Gerät 1 ist Teil einer Energieanlage für ein Gebäude. Die Energieanlage weist eine Zusatz-Kesselanlage 3 eine Brauchwasseranlage 4, einen Pufferspeicher 5 und eine Raumheizungsanlage 6 auf. Ein Vorlaufstrang 10 und ein Rücklaufstrang 11 bilden eine Verbindung für einen Wärmeträger zwischen dem Kraft-Wärmekopplungs-Gerät 1 , der Zusatz-Kesselanlage 3, der Brauchwasseranlage 4, dem Pufferspeicher 5 und der Raumheizungsanlage 6. Der Wärmeträger ist typischerweise Heizwasser.
Das Kraft-Wärmekopplungs-Gerät 1 weist hier einen Stirling-Motor auf. Das Kraft-Wärmekopplungs-Gerät 1 ist grundsätzlich ein Gerät oder eine Anordnung von Geräten, durch das - beziehungsweise durch die - eine Rückspeisung von elektrischer Energie W aus der Energieanlage in ein elektrisches Energienetz 12 ermöglicht wird und dessen - beziehungsweise deren - Abwärme in der Energieanlage nutzbar ist. Das elektrische Energienetz 12 ist beispielsweise ein Hausnetz oder ein öffentliches Netz.
Das Kraft-Wärmekopplungs-Gerät 1 kann grundsätzlich auch auf einer andern Basis als auf der des Stirling-Motors aufgebaut sein; beispielsweise auf der Basis einer Brennstoffzelle oder eines Explosionsmotors.
Die Anlagenteile 3, 4 und 6 sind über weitere Regel- und Steuergeräte bedienbar: der Zusatz-Kesselanlage 3 ist ein Regel- und Steuergerät 13, der Brauchwasseranlage 4 ein Regel- und Steuergerät 14 und der Raumheizungsanlage 6 ein Regel- und Steuergerät 16 zugeordnet.
Durch eine Steuer- und Regeleinrichtung 20 sind Leitsignale für die Steuer- und Regelgeräte 2, 13, 14 und 16 der Energieanlage generierbar.
Durch die von der Steuer- und Regeleinrichtung 20 generierten Leitsignale sind das Kraft-Wärmekopplungs-Gerät 1 und auch die Zusatz-Kesselanlage 3, die
Brauchwasseranlage 4 und die Raumheizungsanlage mittels zugeordneten Steuer- und Regelgeräten 2, 13, 14 und 16 optimal Steuer- und/oder regelbar. Die den Steuer- und Regelgeräten 2, 13, 14 und 16 der Energieanlage übergeordnete Steuer- und Regeleinrichtung 20 weist ein Modell 21 auf, durch welches mit Vorteil das thermische und energetische Verhalten des Gebäudes und der Energieanlage sowie deren Benutzer beschrieben ist. Mit Vorteil verfügt die Steuer- und Regeleinrichtung 20 über wenigstens einen entsprechend programmierten Prozessor 22, durch den eine Optimierung des Betriebs der Energieanlage nach gewissen Kriterien und unter Berücksichtigung des Modells 21 durchführbar ist.
Durch die übergeordnete Steuer- und Regeleinrichtung 20 sind mit Vorteil externe Signale a und b erfassbar, welche die Optimierung beeinflussen. Ein erstes externes Signal a ist hier beispielhaft eine Information zum aktuellen Tarif der elektrischen Energie und ein zweites externes Signal b beinhaltet eine aktuelle Wetterprognose.
Die in der beispielhaften Energieanlage angeordnete Zusatz-Kesselanlage 3, wie auch die Brauchwasseranlage 4 und die Raumheizungsanlage 6 könnten grundsätzlich zum Betrieb mit einem beliebigen Energieträger ausgelegt sein, beispielsweise zum Betreiben mit Öl, Gas, Holz, Kohle, Elektrizität oder einem Bio-Energieträger.
Zweites Ausführungsbeispiel
In dem in der Fig. 2 dargestellten Energieflussdiagramm einer Energieanlage eines Gebäudes bedeutet 25 ein Kraft-Wärmekopplungs-Gerät, 26 ein Zusatzwärmeerzeuger, 27 ein Speicher von elektrischer Energie Qeι(t) und 28 ein Wärmespeicher mit der Energie Qth(t).
Im Energieflussdiagramm sind Zusammenhänge zwischen der von einem Energieversorgungsnetz bezogenen elektrischen Energie ue + l{t), der an das elektrische Energieversorgungsnetz zurückgespeisten Energie ue ~ l{t), der beispielsweise in Form von Gas oder Öl dem Kraft-Wärmekopplungs-Gerät 25 zugeführten Energie uwκκ(t), der beispielsweise in Form von Gas oder Öl dem
Zusatzwärmeerzeuger 26 zugeführten Energie uth{t) und den Verbrauchen von elektrischer Energie qeι(t) und thermischer Energie qth(t) dargestellt.
In dem in der Fig. 3 dargestellten Wirkungsplan bedeutet 30 ein erstes Integrierglied und 31 ein zweites Integrierglied. Das erste Integrierglied 30 modelliert den Wärmespeicher 28; das zweite Integrierglied 31 modelliert den Speicher 27 elektrischer Energie.
Im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel benutzte Symbole bedeuten: Kosten einer Einheit des dem Kraft-Wärmekopplungs-Gerät 25 zugeführten Brennstoffs; Kosten einer Einheit der dem Zusatzwärmeerzeuger 26 zugeführten
Brennstoffs; Yeti) Kosten einer Einheit der vom Netz bezogenen elektrischen Energie;
Ertrag einer Einheit der an das Netz zurückgespiesenen elektrischen
Energie; Wirkungsgrad des Zusatzwärmeerzeugers 26; elektrischer Wirkungsgrad des Kraft-Wärmekopplungs-Geräts; thermischer Wirkungsgrad des Kraft-Wärmekopplungs-Geräts; Dauer des gleitenden Zeithorizonts, über den optimiert wird; : durch die Leistungsgrenzen der entsprechenden Anlageteile gegebene Maximalwerte der entsprechenden Steuergrössen; maximale in Speicher 27 speicherbare elektrische Energie; und maximale in Wärmespeicher 28 speicherbare thermische Energie.
Es gelten folgende Beziehungen:
Leistungskosten c(t):
Energiekosten C(T) im Zeitintervall [θ,r] :
Steuergrössen und ihre zulässigen Werte:
Begrenzung der Speicherinhalte:
Modellgleichungen und Optimierungsproblem, zeitkontinuierlich
Bekannt:
Gesucht:
so dass
minimal {G25} und
Modellgleichungen und Optimierungsproblem, zeitdiskret Herleitung:
Lösung der Differential Gleichungen nach dem Euler Verfahren
Kosten:
Optimierungsproblem (Lineares Programm(LP))
Bekannt:
Man bestimme
so dass
unter folgenden Ungleichungen
und folgenden Gleichungen
Spezialfälle
Erster Spezialfall: Gleiche Tarife für Bezug und Rückspeisung elektrischer Leistung, das heißt:
Es folgt ommen nicht mehr einzeln, sondern nur noch als Differenz
Wir können deshalb die zwei Steuergrößen durch die Steuergröße
ersetzen, die aber positiv und negative Werte annehmen kann. Es gibt also nur noch drei Steuergrößen.
Zweiter Spezialfall: Kein elektrischer Speicher, das heißt:
Es folgt:
Daraus folgt: Ug[(t) und ue[(t) sind keine Steuergrössen mehr. Diese Grössen ergeben sich aus dem Verbrauch qeι (t) und der WKK Produktion:
Es gibt also nur noch zwei Steuergrößen uth und uwκκ
Dritter Spezialfall: Kein thermischer Speicher, das heißt:
Es folgt:
Daraus folgt ist keine Steuergrössen mehr. Diese Grosse ergibt sich aus dem Verbrauch und der WKK Produktion:
Vierter Spezialfall: Kein elektrischer und kein thermischer Speicher. Es bleibt als Steuergrösse.
Drittes Ausführungsbeispiel
Eine beispielhafte Gebäude-Energieanlage gemäss Figur 4 umfasst Wärmeerzeuger, Wärmeverbraucher, elektrische Verbraucher 43 und eine übergeordnete Steuerung 40 der Gebäude-Energieanlage. Die Wärmeerzeuger sind eine Stirling-Maschine 41 und ein Zusatzbrenner 42. Die Wärmeverbraucher sind hier ein Warmwasseraufbereiter 44 und ein Gebäude mit Wärmeabgabeeinrichtungen 45.
Die Wärmeleistung der Wärmeerzeuger wird einem ersten
Heizwasseraufbereiter 46 und einem zweiten Heizwasseraufbereiter 47 zugeführt. Die Heizwasseraufbereiter 46 und 47 sind über einen Vorlaufstrang 48 und einen Rücklaufstrang 49 mit dem Warmwasseraufbereiter 44 und den Wärmeabgabeeinrichtungen 45 gekoppelt.
Neben der Deckung des thermischen Leistungsbedarfs der Wärmeverbraucher sorgt die übergeordnete Steuerung 40 der Gebäude-Energieanlage auch dafür, dass der elektrische Leistungsbedarf der elektrischen Verbraucher im Gebäude gedeckt werden kann, nämlich mittels der von der Stirling-Maschine 41 produzierten und/oder der vom öffentlichen Netz bezogenen elektrischen Leistung. Erzeugt die Stirling Maschine 41 mehr elektrische Leistung als der Bedarf im Gebäude, so wird die elektrische Leistung ins öffentliche elektrische Netz exportiert.
Die Stirling-Maschine 41 , der Zusatzbrenner 42 und ein im Vorlaufstrang 49 angeordnetes Dreiweg- oder Verteilventil wird durch die übergeordnete
Steuerung 40 anforderungsgemäss optimiert gesteuert, wobei der übergeordneten Steuerung 40 vorteilhafterweise die Vorlauftemperatur Tv, die Aussentemperatur TA, die Raumtemperatur TR, die Speichertemperatur TSp des Brauchwassers und Tarifinformation zugeführt werden.
Fig. 5 zeigt einen Wirkungsplan der modellierten Gebäude-Energieanlage mit den Teilsystemen Wärmeerzeuger WE und Wärmeverbraucher WV sowie zugehörigen Input und Output-Signalen.
Die modellierte Gebäude-Energieanlage umfasst die Wärme-Erzeuger WE und die Wärmeverbraucher WV. Die modellierten Wärmeerzeuger sind die Stirling-Maschine SM und der Zusatzbrenner ZB. Die modellierten Wärmeverbraucher WV umfassen einen Warmwasser-Speicher WWSp und einen Heizkreis mit einer Boden-Heizung BH und dem Gebäude Geb.
Störgrössen sind der Warmwasser-Bedarf Qww Bed , die Umgebungstemperatur T U1MG ' welche um den Warmwasser-Speicher herrscht, die Aussentemperatur TA , der Strombedarf Pel Bed und die interne und externe Fremdwärme ßF L mit der auch Lüften erfassbar ist.
Wärmeerzeuger: • Stirling-Maschine mit dem Stellsignal uSM
• Zusatz-Brenner mit dem Stellsignal uZB
Wärmeverbraucher:
• Warmwasser-Speicher mit der Speichertemperatur TSp , welche in einem zulässigen Temperatur-Toleranzband liegen muss.
• Boden-Heizung und Gebäude: Die Raumtemperatur TR muss in einem
Temperatur-Toleranzband liegen und die Vorlauftemperatur Tv darf einen gewissen Temperaturwert nicht überschreiten.
Das Stellsignal uHK ist ein Hilfssignal, welches die erzeugte thermische Leistung Qth auf die beiden Wärmeverbraucher aufteilt, nämlich auf den
Warmwasser-Speicher WWSp und den Heizkreis mit der Boden-Heizung BH und dem Gebäude Geb. Damit dem Warmwasser-Speicher WWSp keine negative
Leistung zugeführt werden kann, muss der Wärmestrom Qth wwsp immer positiv sein. Dies verhindert auch, dass Energie aus dem Warmwasser-Speicher bezogen wird und dem Heizkreis zugeführt wird.
Die Störgrösse Qψψ Bed bezeichnet die thermische Leistung, die aus dem Warmwasser-Speicher bezogen wird für den alltäglichen Gebrauch von Warmwasser im Haushalt. Diese Leistung muss immer zur Verfügung stehen und der Speicher muss also genügend Energie gespeichert haben.
Neben den thermischen Anforderungen muss auch der Bedarf an elektrischer Leistung Pel Bed gedeckt sein: Entweder durch die elektrische Leistung Pel SM , produziert durch die Stirling-Maschine, oder durch Bezug von Elektrizität aus dem öffentlichen Netz.
Modellierung Stirling Maschine:
Zusatzbrenner:
Gesamtwärmeerzeugung:
Der Warmwasserspeicher ist modelliert als lineares Differentialgleichungssystem. Die Eingangs-, Ausgangs- und Störgrössen sind Fig. 6 dargestellt.
Die Bodenheizung wie auch das Gebäude sind modelliert als lineare
Differentialgleichungssysteme. Die Eingangs-, Ausgangs- und Störgrössen sind in der Fig. 7 dargestellt. Die thermische Leistung QHK ' welche für die Raumheizung erzeugt wird, muss zuerst in die Vorlauftemperatur Tv umgerechnet werden. Im die
Bodenheizung darstellenden Block BH wird modelliert, wie diese Wärme durch die Wasserrohre und durch die Bodenschichten in den Raum gelangt und diesem die notwendige Wärmeleistung QBH Geh zuführt. Das modellierte Gebäude besteht aus Aussenwänden sowie einer Anzahl an Zwischenwänden. Der Wärmeverlust des Gebäudes setzt sich zusammen aus dem Verlust über die Aussenwände und der Fenster sowie dem natürlichen Luftwechsel und Lüftungsverlusten. Optimierungsproblem
Beschränkungen
Folgende Komfortbedingungen sind einzuhalten:
Folgende Leistungsbedingungen sind einzuhalten:
Um die Kosten für den Elektrizitätsbezug aus dem öffentlichen Netz minimieren zu können bzw. eventuelle Gewinne durch den Verkauf von elektrischer Energie ins öffentliche Netz maximieren zu können, wird eine Hilfsvariable z eingeführt. Folgende Bedingungen für die Hilfsvariable z sind einzuhalten:
Wird die erste der beiden Ungleichungen für die Hilfsvariable z aktiv - d.h. zur Gleichheitsbedingung -, so ist z gleich den Kosten für die im Zeitschritt At vom öffentlichen Netz bezogene elektrische Energie.
Wird die zweite der beiden Ungleichungen für die Hilfsvariable z aktiv - d.h. zur Gleichheitsbedingung -, so ist z gleich dem Gewinn für die im Zeitschritt At ins öffentliche Netz abgegebene elektrische Energie.
Gütekriterium Die hier angegebene optimale Betriebsweise der Gebäude-Energieanlage ist der kostenoptimale Betrieb. Für kostenoptimalen Betrieb ist das Gütekriterium J über den Optimierungshorizont (N Schritte mit zeitlicher Schrittweite At ) zu minimieren:
Das Gütekriterium summiert die Energiekosten der Stirling-Maschine, des Zusatzbrenners sowie die Kosten für den Bezug elektrischer Energie auf über den Optimierungshorizont. Diese Kosten für den Bezug elektrischer Energie können auch negativ sein, nämlich dann, wenn elektrische Energie exportiert wird. In diesem Fall wird elektrische Energie verkauft. Die Bedingungen für die Hilfsvariable z erlauben es, unterschiedliche Kosten kimp für Einkauf bzw. Gewinne gexp für
Verkauf von elektrischer Energie in der Optimierung zu integrieren.
Sowohl das Gütekriterium wie auch die durch ein lineares
Differentialgleichungssystem gegebenen Systemgleichungen und Beschränkungen sind linear. Deshalb kann die Optimierung mittels Linearer Programmierung LP erfolgen.
Zur Bestimmung des Performance Bounds oder im Einsatz als Steuer- oder Regelfunktion - also bei sogenannter Model Predictive Control - werden von der Optimierung jeweils nur die Stellgrössen u des ersten Schrittes im Optimierungshorizont verwendet, um nach Ablauf der Samplingzeit erneut eine Optimierung durchzuführen, was einem sogenannten Moving Horizon entspricht.
Die im dritten Ausführungsbeispiel benutzten Symbole bedeuten: g Gewinn
/ Gütekriterium k Kosten
N Anzahl Schritte im Optimierungshorizont
P Leistung
Q Wärmefluss, W
T Temperatur t Zeit, s oder h U Stellsignal
Z Hilfsvariable
Δ Differenz η Wirkungsgrad,
Die im Zusammenhang mit den Symbolen eingesetzten Indices bedeuten:
A aussen bed Bedarf
BH Bodenheizung el elektrisch exp Export (elektrische Leistung) i Laufvariable
P Leistung
F, L Fremd(wärme), Lüften
Geh Gebäude
HK Heizkreis imp Import (elektrische Leistung)
L Luft max maximal min minimal nom nominal
R Raum
SM Stirling Maschine
Sp Speicher th thermisch
UMG Umgebung
V Vorlauf
WW Warmwasser
WWSp Warmwasser-Speicher
ZB Zusatzbrenner Im vorgeschlagenen Verfahren zur Prädiktiven Steuerung und/oder Regelung einer wenigstens ein Kraft-Wärmekopplungs-Gerät aufweisenden Energieanlage ist ein Kriterium für die Optimierung nach aktuellen Bedürfnissen des Betreibers der Energieanlage wählbar. Das Kriterium der Optimierung kann beispielhaft ein Mass für die Betriebskosten der Energieanlage oder dann ein Mass für die Energiekosten der Energieanlage sein. Das Kriterium der Optimierung kann aber auch ein Indikator für den Primärenergieverbrauch der Energieanlage oder aber ein Mass für den von der Energieanlage produzierten Kohlendioxid-Ausstoss sein. In einem andern Fall kann das Kriterium der Optimierung ein Mass für den von der Energieanlage produzierten Feinstaub-Ausstoss sein. Bei Bedarf kann aber auch nach
Kombinationen von verschiedenen Massen optimiert werden: so ist das Kriterium der Optimierung in einem weiteren beispielhaften Fall eine Kombination von wenigstens zwei Massen bzw. Indikatoren für Betriebskosten, Energiekosten, Primärenergieverbrauch, Kohlendioxid- oder Feinstaub-Ausstoss. Grundsätzlich kann das Kriterium der Optimierung auch zeitabhängig sein.
Eine Steuer- und Regeleinrichtung 20, welche nach einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13 arbeitet ermöglicht den Bau einer Anordnung zur Dimensionierung einer ein Kraft-Wärmekopplungs-Gerät 1 aufweisende Energieanlage für ein Gebäude. Mit der genannten Anordnung zur Dimensionierung der Energieanlage beispielsweise die maximale in Speicher 27 speicherbare elektrische Energie Qdmax , und/oder die maximale im Wärmespeicher 28 speicherbare thermische Energie QthmRX , und/oder das Leistungsvermögen des
Kraft-Wärmekopplungs-Geräts 1 dimensioniert werden. Ausserdem ermöglicht die genannte Anordnung zur Dimensionierung der Energieanlage auch eine optimale
Dimensionierung einer Gebäudehülle oder der Wärmeabgabeeinrichtung 45.
Eine Variante der Anordnung zur Dimensionierung einer ein Kraft-Wärmekopplungs-Gerät 1 aufweisende Energieanlage für ein Gebäude weist ein zur Optimierung verwendetes Modell der Energieanlage eine Steuer- und
Regeleinrichtung auf, welche nach einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13 arbeitet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Prädiktiven Steuerung und/oder Regelung einer wenigstens ein Kraft-Wärmekopplungs-Gerät (1) aufweisenden Energieanlage eines Gebäudes mit dem Verfahrensschritt:
- Generieren von Leitsignalen für ein dem Kraft-Wärmekopplungs-Gerät (1) zugeordnetes Steuer- und Regelgerät (2) durch eine dem Steuer- und Regelgerät übergeordnete Steuer- und Regeleinrichtung (20), wobei zur Generierung der Leitsignale ein Modell (21 ) des thermischen und energetischen Verhaltens des Gebäudes und der Energieanlage sowie deren Benutzer verwendet wird, und eine Optimierung über einen gleitenden Zeithorizont durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein die Optimierung beeinflussendes Signal erfasst und die Optimierung durch Lineare - oder quadratische Programmierung durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitsignale mehrmals pro Stunde neu berechnet und an das Steuer- und Regelgerät ausgegeben werden.
4. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für Raumtemperatur-Sollwerte ein Toleranzband von mehreren Kelvin vorgegeben wird.
5. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für Sollwerte der Temperatur eines in der Energieanlage vorhandenen Warmwasserspeichers ein Toleranzband von mehreren Kelvin vorgegeben wird.
6. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für Sollwerte von Prozessgrössen ein zeitabhängiges Toleranzband vorgegeben wird.
7. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium der Optimierung ein Mass für die Betriebskosten der Energieanlage ist.
8. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium der Optimierung ein Mass für die Energiekosten der
Energieanlage ist.
9. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium der Optimierung ein Indikator für den Primärenergieverbrauch der Energieanlage ist.
10. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium der Optimierung ein Mass für den von der Energieanlage produzierten Kohlendioxid-Ausstoss ist.
11. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium der Optimierung ein Mass für den von der Energieanlage produzierten Feinstaub-Ausstoss ist.
12. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium der Optimierung eine Kombination von wenigstens zwei Massen bzw. Indikatoren für Betriebskosten, Energiekosten, Primärenergieverbrauch, Kohlendioxid- oder Feinstaub-Ausstoss ist.
13. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium der Optimierung zeitabhängig ist.
14. Anordnung mit einem Kraft-Wärmekopplungs-Gerät (1 ), einem mit dem Kraft-Wärmekopplungs-Gerät (1) verbundenen Steuer- und Regelgerät (2) und mit einer dem Steuer- und Regelgerät (2) übergeordneten Steuer- und
Regeleinrichtung (20) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. Anordnung zur Dimensionierung einer ein Kraft-Wärmekopplungs-Gerät (1) aufweisenden Energieanlage für ein Gebäude, gekennzeichnet durch eine Steuer- und Regeleinrichtung (20), welche nach einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13 arbeitet.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale in Speicher 27 speicherbare elektrische Energie ße/max optimierbar ist.
17. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale im Wärmespeicher 28 speicherbare thermische Energie ßfÄmax optimierbar ist.
18. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsvermögen des Kraft-Wärmekopplungs-Geräts 1 optimierbar ist.
19. Anordnung zur Ermittlung des so genannten Performance Bound einer Energieanlage mit einer Einrichtung (20) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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