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Entwicklung eines modellbasierten Optimierungsalgorithmus für die Wärmeversorgung mit Biomassefeuerungen

Published 2015

Citation: Oberlechner, F. Entwicklung eines modellbasierten Optimierungsalgorithmus für die Wärmeversorgung mit Biomassefeuerungen, Master Thesis, Technische Universität Graz, Graz, Austria, 2015.

Abstract

Wärmeversorgungsanlagen von Gebäuden, bestehend aus Biomasse-Feuerung, Solarkollektoren, Pufferspeicher, Heizkreis und Warmwasserzapfstellen gewinnen aufgrund ihrer Nachhaltigkeit zunehmend an Bedeutung. In den letzten Jahren wurden insbesondere für eine effiziente Regelung der Biomasse-Feuerung sehr gute Konzepte entwickelt. Diese können jedoch zumeist aufgrund unzureichender, übergeordneter Systemregelungen nicht ihr volles Potential ausschöpfen. In ihrer primitivsten Ausführung schaltet eine Systemregelung die Biomasse-Feuerung anhand der Ladehöhe des Pufferspeichers aus und ein. Diese Art der Regelung hat unweigerlich viele Ein-/ Ausschaltvorgänge der Feuerung, sowie eine schlechte Ausnutzung des solaren Eintrags zur Folge. Insbesondere bei Biomasse-Feuerungen sind Ein-/ Ausschaltvorgänge äußerst unwirtschaftlich und führen zu stark erhöhten Schadstoffemissionen. Die häufigen Ein-/ Ausschaltvorgänge verursachen zusätzlich erhöhte Wartungs- und Betriebskosten und schlussendlich eine verkürzte Lebensdauer zahlreicher Komponenten. Um die Ein-/ Ausschaltvorgänge zu minimieren und den solaren Eintrag zu steigern, soll im Rahmen dieser Arbeit ein übergeordnetes, modellprädiktives Regelungskonzept für die gesamte Wärmeversorgungsanlage entwickelt werden. Nach einer theoretischen Einführung in gemischt-ganzzahlige Optimalsteuerungsprobleme sowie ausgewählter Lösungsmethoden werden Prädiktionsmodelle für alle Komponenten der Wärmeversorgungsanlage entwickelt. Aufbauend auf den mathematischen Modellen für die einzelnen Komponenten der Anlage wird eine nichtlineare modellprädiktive Regelung entwickelt. Diese berücksichtigt zusätzlich Wetterprognosen sowie die erwartete Lastabnahme und führt schlussendlich zu einer Minimierung des Brennstoffverbrauchs sowie der Anzahl der Ein-/ Ausschaltvorgänge. Den Abschluss der Arbeit bilden ausführliche Simulationsstudien mit unterschiedlichen Wetterszenarien sowie Vergleiche mit herkömmlichen Regelungsstrategien.  


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