EP3564601A1 - Prädiktives regelung einer wärmepumpe - Google Patents

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EP3564601A1
EP3564601A1 EP19170603.5A EP19170603A EP3564601A1 EP 3564601 A1 EP3564601 A1 EP 3564601A1 EP 19170603 A EP19170603 A EP 19170603A EP 3564601 A1 EP3564601 A1 EP 3564601A1
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EP
European Patent Office
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control
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heat
heat pump
heat transfer
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Vaillant GmbH
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Vaillant GmbH
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    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2117—Temperatures of an evaporator
    • F25B2700/21171—Temperatures of an evaporator of the fluid cooled by the evaporator

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling or controlling linear or non-linear dynamic systems of a heat pump system, in which the outputs of the system are estimated in advance and included in the scheme.
  • Heat pumps have long been state of the art.
  • a heat pump consists of a refrigerant circuit with an evaporator, a compressor, a heat sink, a condenser and a heat source.
  • a refrigerant having a low boiling point at a low temperature is vaporized with heat absorption and then compressed while remaining heated but gaseous.
  • the heated gas is then fed to a heater in which it gives off heat to the environment, usually the interior of a residential building, and condenses. Then it is relaxed, usually in an isenthalp throttle valve, cools down and is then returned to the heat source, this is usually soil or ambient air.
  • a maximum utilization of the heat pump can only be achieved by a meaningful integration of restriction sizes. For most concepts, these are not calculated accurately enough or integrated into the concept, which can lead to low or high pressure shutdowns of the heat pump. Furthermore, the heat exchanger often freezes, even in situations where freezing can be avoided using a model-based design.
  • Model-based predictive control concepts are ideally suited for regulating coupled multivariable systems. Due to the fact that the controller is based essentially on the essential dynamic properties of the input and output variables in the form of a model, a high degree of control quality can be achieved. This model is purely mathematical, it does not need to include ambient temperatures, weather forecasts and typical user behavior in the control concept, nor to implement a physical model.
  • the outputs y of the system can be predicted and included in the control for a certain prediction horizon.
  • the controller responds early to a changing reference variable and can ideally follow this, taking into account restrictions.
  • this rule has two objectives. On the one hand, you want to cover the heating demand via the temperature and the volumetric flow of the useful heat flow. On the other hand, the "coefficient of performance COP", which is a guiding principle for the efficiency of the heat pump, should be as high as possible, preferably between 3.1 and 5.1. In this case, the heat obtained is related to the electrical power consumption. In this COP, not only the temperatures and heat flows, but also the electrical power consumption of the heat pump, which thus also has an influence on the regulation of the electrical consumers. If you want to optimize this COP, the control of these coupled systems is complex, because the sum of the drive power of the machines must be minimized.
  • the US 2008/0000241 A1 describes a refrigeration system with a compressor and associated control. For this purpose, the future cooling demand is compared with the capacity of the compressor and weighted as a reference variable higher than the current refrigeration demand. A cost model will further optimize refrigeration.
  • the compressor is not operated as an inverter, but has only a start-stop control. And the estimate of the upcoming refrigeration needs is based on the environment of the operator, such as the opening hours of a supermarket. So the machine can not do it autonomously.
  • the US 2015/0253051 A1 describes pre-estimation methods that estimate the heat transfer of fluids under different environmental conditions. These fluids are the working fluid, the heat sink and the heat source. For this purpose, a function of the setpoint of a heating element is determined by changing the setpoint and correspondingly solving the function for intermediate values. Through a variety of such operations, the objective function for the setpoint is optimized. In this way, historical operating data for temperature control can be used.
  • the object of the invention is therefore to provide a suitable control method for the operation of a left-handed thermodynamic Clausius-Rankine cycle in a closed, hermetically sealed working fluid circulation by means of a working fluid.
  • a prediction horizon is formed for each variation of manipulated variables with influence on the electrical consumption variables caused by machines, the total minimum of the electrical energy consumption is subsequently determined for each of the control actions possible on account of the prediction horizons, and these settings for the Control intervention to be selected.
  • the desired value of the second reference variable COP value is set to the possible maximum value. In this way it is achieved that always the best COP value is sought, which is achievable at all.
  • soft limits are used to limit the reference variables. In practice, this is done in such a way that cost functions are designed in such a way that, whenever a reference variable comes close to a boundary, it calculates higher virtual costs, which means virtual costs in a regulatory sense.
  • the control system also has the advantage of being fast and stable.
  • Fig. 1 shows a simple air / water heat pump system, which from a control point of view is a MIMO (multi-input multi-output) system.
  • the heat pump system comprises in this example a refrigeration circuit 1 with a refrigeration compressor 2, a condenser 3, an expansion valve 4 and an evaporator 5.
  • compressed refrigerant 6 flows to the condenser 3, where it gives off its heat to the heat carrier flow 7, which is supplied by the circulation pump 8 is promoted as heat flow 9 to the consumer.
  • the thereby cooled and condensed refrigerant 10 reaches the expansion control valve 4, wherein it continues to cool and is passed as a cooling flow 11 in the evaporator 5.
  • the heated refrigerant 15 is again compressed by the refrigerant compressor 2, whereby the refrigeration cycle 1 is closed.
  • the refrigeration circuit shown here in simplified form may also include a plurality of heat exchangers at different temperature levels, a stepped pressure reduction, switching devices for heating operation in winter and cooling in summer, and a variety of sensors, the control principle is the same.
  • evaporator 5 and capacitor 3 are interchangeable in their operation or not shown switching devices in the refrigerant circuit can produce this functionality in the prior art, so that the heating circuit to the refrigeration cycle of an air conditioner and the heat source of the heating operation Heat sink in the air conditioning.
  • the refrigerant circuit 1 is thermodynamically on the sizes pressure, temperature and flow for the four streams compressed refrigerant 6, condensed refrigerant 10, refrigerant flow 11 and heated refrigerant 15, as well as the sizes volume flow and temperature of the four streams heat transfer stream 7, heat flow 9, ambient air 12 and cold air 14 certainly. It is possible to regulate the power consumption or rotational speeds of the circulation pump 8, that of the refrigeration compressor 2 and that of the fan 13, and also the position of the expansion valve 4.
  • Fig. 2 shows a basic course of a prediction system.
  • the output quantities y, 16 are predicted via a prediction horizon 17 and included in the regulation.
  • the controller responds early to a changing reference variable, the setpoint curve w, 18, and can follow this, taking into account restrictions, ideally by the manipulated variable u, 19.
  • the reference trajectories r, 20 and the setting horizon 21 are also shown.
  • the values y, w and u are to be understood as vectorial values.
  • the flow temperature in the heating circuit is adjusted by controlling the four essential input variables of the compressor, the expansion valve, the fan and the circulating pump in parallel, while maintaining the operating limits for high pressure and evaporating temperature.
  • Fig. 3 shows in seven measurement diagrams the operation of this regulatory procedure. In all diagrams, the time axis is identical, it is the same control process. In the uppermost diagram, the measured flow temperature 22 of the heat flow 9 and the target temperature 23 is shown.
  • the target temperature 22 was raised as a model, the heat pump was led to its load limit. Subsequently, the setpoint temperature was lowered sharply and slowly increased to an intermediate level.
  • the diagram below shows the pressure 24 in the high-pressure section 6 or 10 of the refrigeration circuit 1. This pressure curve results in response to the flow temperature 22 in the condenser 3 from the temperature to which the refrigerant cools when condensing, ie to the equilibrium temperature. He may not exceed a maximum pressure 25.
  • a control intervention in the compressor and in the expansion valve has been required.
  • the evaporator temperature 26 is shown, which is proportional to the low-pressure section 11 and 15, respectively.
  • the temperature in the evaporator was lowered accordingly, so that the temperature difference to the air of the environment is greater and a higher heat flux of the ambient air can be withdrawn.
  • this lower limit is shown by minimum evaporator temperature 27.
  • the input of the speed 28 of the refrigerant compressor 2 is shown. This speed must be between the limits of the minimum speed 29 and the maximum speed 30. It can be seen that the regulation initially wants to satisfy the increased heat requirement by means of a higher rotational speed, which causes a higher compression of the refrigerant, but at the same time reaches its upper limit.
  • This expansion valve 4 opens when the heat demand can not be achieved by a further increase in the speed of the refrigerant compressor 2. Through this opening, the mass flow through this valve increases, in parallel to the compressed by the refrigerant compressor mass flow, which leads due to the compressor line to a corresponding pressure drop in the high pressure section. Also with respect to the opening of the expansion valve 4, a maximum opening 32 and a minimum opening 33 is predetermined as a limit.
  • the diagram below shows the input variable of the fan speed 34.
  • the fan speed increases to promote more ambient air to the evaporator surface to remove this heat.
  • a maximum speed 35 and a minimum speed 36 is set. In the present case, reaching the maximum speed 36 is not sufficient to bring the flow temperature closer to the setpoint.
  • the diagram below shows the input quantity of the rotational speed 37 of the circulating pump 8.
  • the circulation pump reduces its speed, but only up to the minimum speed 38, which is not achieved in the present example, since the target value of the flow temperature 23 has previously been lowered.
  • the circulation pump is limited by a maximum speed 39.
  • Fig. 4 shows a control method, which builds on the example shown above.
  • the measurement diagram shows one tenth of the time course compared to Fig. 3 .
  • the COP should be used as a further output variable.
  • the flow temperature 22 is replaced by a setpoint temperature 23, but also an upper flow temperature limit 40 and a lower flow temperature limit 41.
  • the COP is from the heat flow, which is the difference between the flow temperature and the return temperature of the heating circuit, multiplied by the mass flow, funded by the circulation pump 8 is compared with the sum of all electrical consumers of the heat pump.
  • the target COP 42 is set as high as possible, while the actual COP 43 the target COP is approximated by the regulation of refrigerant compressor, fan and circulation pump takes place so that the total electrical energy consumption decreases, while the flow temperature is kept within narrow limits.
  • This COP which is as high as possible within the specified conditions, ideally achieves constant maximization of the COP.
  • the set target temperature 23 is at the beginning of the observation interval 24.5 degrees Celsius, this also corresponds to the starting temperature of the flow temperature 22.
  • the COP increases from 3.57 to 3.62, while the flow temperature remains the same.
  • the setpoint temperature 23 is lowered to the value of 24.1 degrees Celsius. This initially causes a short increase in the COP due to the heat storage capacity of the system. As the flow temperature approaches the new setpoint temperature, the COP remains at approximately the level that it had reached before the setpoint temperature change, namely approximately 3.62.
  • the transient temperature of the flow temperature is over after about 2100 seconds, the COP from then 3.62 further upwards, at the end of the observation interval it is 3.63. In this way, a continuous optimization process is carried out.

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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, die Solltemperatur des Wärmeträgerfluids für den Vorlauf des Heizkreislaufs des Wärmepumpensystems als erste Führungsgröße für die übrigen Stellgrößen gewählt wird, der elektrische Energieverbrauch aller elektrischen Maschinen sowie der elektrische Gesamtenergieverbrauch der gesamten Wärmepumpe gemessen und erfasst wird, als zweite 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

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. Dieses Modell ist dabei ein rein mathematisches, es weder erforderlich, Umgebungstemperaturen, Wettervorhersagen und typisches Nutzerverhalten in das Regelkonzept einzubeziehen, noch ein physikalisches Modell zu implementieren.
  • Mit Hilfe der diskreten Übertragungsfunktionen, die der CARIMA-Struktur (CARIMA = Controlled Autoregressive Integrated Moving Average) entsprechen, können die Ausgangsgrößen y des Systems vorhergesagt und für einen gewissen Prädiktionshorizont in die Regelung miteinbezogen werden. Dem Regler liegt dabei im allmeinen MIMO-Fall die Struktur A z − 1 y k = B z − 1 u k − 1 + C z − 1 ξ k Δ
    Figure imgb0001
     zugrunde mit den Stellgrößen u, dem Systemausgang y und dem Rauschen ξ.
  • Dadurch reagiert der Regler frühzeitig auf eine sich ändernde Führungsgröße 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.
  • Im Stand der Technik sind bereits eine Reihe von Lösungen vorgeschlagen worden. Die US 2008/0000241 A1 beschreibt ein Kälteerzeugungssystem mit einem Kompressor sowie zugehöriger Regelung. Hierzu wird der künftige Kältebedarf mit der Kapazität des Kompressors verglichen und als Führungsgröße höher gewichtet als der aktuelle Kältebedarf. Mit einem Kostenmodell wird die Kälteerzeugung weiter optimiert. Allerdings wird der Kompressor nicht als Inverter betrieben, sondern weist lediglich eine Start-Stopp-Regelung auf. Und die Schätzung des kommenden Kältebedarfs erfolgt anhand der Umgebung des Betreibers, etwa den Öffnungszeiten eines Supermarkts. Die Maschine kann es also nicht autonom selbst.
  • Die US 2015/0253051 A1 beschreibt Vorabschätzungsmethoden, mit denen die Wärmeübergänge von Fluiden bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen geschätzt werden. Diese Fluide sind das Arbeitsfluid, die Wärmesenke und die Wärmequelle. Hierfür wird eine Funktion des Sollwerts eines Heizelements ermittelt, indem der Sollwert geändert und die Funktion entsprechend für Zwischenwerte gelöst wird. Durch eine Vielzahl solcher Operationen wird die Zielfunktion für den Sollwert optimiert. Auf diese Weise können historische Betriebsdaten zur Temperaturregelung genutzt werden.
  • Die US 2015/0354877 A1 beschreibt Systeme, bei denen Dämpfe verdichtet werden, wie z.B. Wärmepumpen und Klimaanlagen. Besonders das Problem, dass man weder den Wärme- oder Kältebedarf noch die aktuellen Zustandsgrößen des Arbeitsfluids kennt, andererseits aber betriebliche Grenzen einzuhalten hat, wird als Regelungsproblem thematisiert. Hierzu wird ein prädiktiver Regler eingesetzt, der ein prädiktives Modell enthält.
  • Wie in Abschnitt [0057] der US 2015/0354877 A1 beschrieben, wird dafür ein kontinuierliches Zustandsraummodell des Dampf-Verdichtungssystems mit dem Ansatz ẋ(t) = Ax t + B B d u t d t
    Figure imgb0002
     und ym(t) = Cx(t) benutzt, bei dem stets eine Linearisierung zu erfolgen hat. Diese Art der Prädiktion ist grundverschieden, da sie mit physikalischen Größen operiert, was wegen des Phasenwechsels sehr rechenintensiv ist und auch nicht immer in Echtzeit gelingt.
  • 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. Hierfür müssen Zwangsbedingungen bzw. Begrenzungen in das System eingeführt werden, damit während der Regelung die Betriebsgrenzen nicht überschritten werden, und auch deshalb, damit auf dem Weg zum Regelungsziel keine verbotenen Zustände zum Durchlaufen angesteuert werden.
  • 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
    • die Solltemperatur des Wärmeträgerfluids für den Vorlauf des Heizkreislaufs des Wärmepumpensystems als erste Führungsgröße für die übrigen Stellgrößen gewählt wird,
    • der elektrische Energieverbrauch aller elektrischen Maschinen sowie der elektrische Gesamtenergieverbrauch der gesamten Wärmepumpe gemessen und erfasst wird,
    • als zweite 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.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgesehen, dass der Sollwert der zweiten Führungsgröße COP-Wert auf den möglichen Maximalwert gesetzt wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass immer der beste COP-Wert angestrebt wird, der überhaupt erreichbar ist.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgesehen, dass zur Begrenzung der Führungsgrößen weiche Begrenzungen verwendet werden. Praktisch wird dies so umgesetzt, dass Kostenfunktionale so gestaltet werden, dass es immer, wenn eine Führungsgröße in die Nähe einer Begrenzung kommt, höhere virtuelle Kosten berechnet, wobei virtuelle Kosten im regelungstechnischen Sinn gemeint sind.
  • 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 Fig. 1 bis Fig. 4:
    • Fig. 1: ein allgemeines Fließschema einer Wärmepumpe mit Messstellen und Regelungsgrößen
    • Fig. 2: einen grundsätzlichen Verlauf eines Prädiktionssystems,
    • Fig. 3: ein Beispiel mit Führungsgrößen und Eingangsgrößen,
    • Fig. 4: ein Beispiel mit dem COP als Zielgröße.
  • Fig. 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 Klimatisierung.
  • 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.
  • Fig. 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.
  • Fig. 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.
  • Fig. 4 zeigt ein Regelungsverfahren, welches auf dem zuvor gezeigten Beispiel aufbaut. Das Messdiagramm zeigt ein Zehntel des zeitlichen Verlaufs im Vergleich zu Fig. 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.
  • Durch diesen möglichst hohen Soll-COP, im Idealfall ist das der theoretisch erreichbare Höchstwert unter den angegebenen Bedingungen, wird eine ständige Maximierung des COP erreicht. Man erkennt das Reglerverhalten am Verlauf der Temperaturen und des COP in Figur 4 gut. Die eingestellte Solltemperatur 23 beträgt zu Beginn des Beobachtungsintervalls 24,5 Grad Celsius, dies entspricht auch der Starttemperatur der Vorlauftemperatur 22. Während der ersten 900 Sekunden erhöht sich der COP von 3,57 auf 3,62, während die Vorlauftemperatur identisch bleibt.
  • Nach 900 Sekunden wird die Solltemperatur 23 auf den Wert von 24,1 Grad Celsius erniedrigt. Dies bewirkt zunächst einen kurzen Anstieg des COP aufgrund des Wärmespeichervermögens der Anlage. Während sich die Vorlauftemperatur 22 der neuen Solltemperatur 23 annähert, verbleibt der COP ungefähr auf dem Niveau, welches er vor der Solltemperaturänderung erreicht hatte, nämlich ca. 3,62.
  • Eine erneute Änderung der Solltemperatur 23 auf dann 24,75 Grad Celsius nach 1700 Sekunden bewirkt zunächst eine schnelle Anhebung der Vorlauftemperatur 22, wobei ein Überschwingen zu beobachten ist. Dieses Überschwingen wird durch die obere Vorlauftemperaturbegrenzung 40 auf einen Betrag von einem Kelvin begrenzt. Der schnellen Erreichung der höheren Vorlauftemperatur 22, was der Anforderung von mehr Wärme durch den Nutzer entspricht, wird hohe Priorität eingeräumt. Aufgrund des Wärmespeichervermögens der Anlage führt dies zunächst zu einem Abfall des COP, dies entspricht in inverser Weise dem bei der Erniedrigung der Solltemperatur 23 zu erkennenden Anstieg nach 900 Sekunden. Sobald der Einschwingvorgang der Vorlauftemperatur nach etwa 2100 Sekunden beendet ist, wird der COP von dann 3,62 weiter nach oben geregelt, am Ende des Beobachtungsintervalls beträgt er 3,63. Auf diese Weise wird ein ständiger Optimierungsprozess durchgeführt.
    • 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 (4)

  1. 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,
    - die Solltemperatur des Wärmeträgerfluids für den Vorlauf des Heizkreislaufs des Wärmepumpensystems als erste Führungsgröße für die übrigen Stellgrößen gewählt wird,
    - der elektrische Energieverbrauch aller elektrischen Maschinen sowie der elektrische Gesamtenergieverbrauch der gesamten Wärmepumpe gemessen und erfasst wird,
    - als zweite 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.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, 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.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert der zweiten Führungsgröße COP-Wert auf den möglichen Maximalwert gesetzt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Begrenzung der Führungsgrößen weiche Begrenzungen verwendet werden.
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