Warmwasserspeicher

Algorithmen für die Schätzung nicht direkt messbarer Größen

Intelligenter Warmwasserspeicher

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Projektziel

Um ein gewünschtes Raumklima bereitzustellen werden in Wohnungen und Gebäuden Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssysteme verwendet. Ein großer Teil des gesamten Energieverbrauchs von Gebäuden geht dabei direkt auf das Konto von Raumheizungs- und Warmwassersystemen. Um den Gesamtverbrauch zu reduzieren sollten solche Systeme so entworfen und betrieben werden, dass der Energieverbrauch möglichst gering ist ohne den Komfort der Bewohner zu beinträchtigen.

Die Entwicklung von Heizsystemen, die eine intelligente Regelstrategie verwenden und dadurch den Gesamtenergieverbrauch senken können, ist aus mehreren Gründen recht schwierig. Ein Grund dafür ist, dass im Vergleich zur Komplexität nur sehr wenige Sensoren installiert sind die das zugrunde liegende Raumklima und das Heizsystem überwachen. Das bedeutet, dass nur eine sehr eingeschränkte Sicht auf den aktuellen Zustand des Heizsystems verfügbar ist.

Aus Sicht der Datenverarbeitung besteht die größte Herausforderung darin, dass die Wärmetauscher des Sonnenkollektors und des Brenners eine unbekannte Menge an Energie in das System einspeisen und die Ereignisse der Warmwasserentnahme und Abkühlung den Energiegehalt verringern. Darüber hinaus wird die Temperatur nur von wenigen Sensoren überwacht, die sich am Wärmetauscher des Solarkollektors sowie in der Mitte und oben am Wassertank befinden.

Ziel dieses Projekts war es verschiedene Algorithmen zur Zustandserkennung, die Schätzung des Energieinhalts und des Temperaturprofils in Warmwasserspeichern zu entwickeln. Hauptziel war es basierend auf den wenigen Sensordaten den Energieinhalt abzuschätzen und den Warmwasserspeicher so zu steuern, dass der Energieverbrauch reduziert werden kann. Dadurch ist es möglich dem Endkunden zusätzliche Funktionen für eine bedarfsgerechte Warmwasseraufbereitung zur Verfügung zu stellen.

Vorgehen und Lösungsweg

Auswahl eines modellbasierten Ansatzes um die physikalischen Gegebenheiten zu berücksichtigen.

Modellierung der Wärmeausbreitung über den Ort und über die Zeit, die Energiezu- und abgänge, Wärmeübertrager (Wärmetransport) und Zu-/Abläufe von Wasser (Massetransport).

Schätzung des Temperaturprofils im Warmwasserspeicher bei jeder Messung.

Kompensation von Messstörungen.

Durchführung der Algorithmenentwicklung in einer Rapid-Prototyping-Sprache.

Durchführung der Softwareentwicklung in C und Integration in das Zielsystem vom Kunden.

Die Algorithmen- und Softwareentwicklung fand in sehr enger Abstimmung mit dem Kunden statt.

Ergebnis und Nutzen

Das entwickelte Softwareprodukt ließ sich dank seiner guten Konfigurierbarkeit auf mehrere Produktfamilien erweitern und sehr gut in das Produktsortiment integrieren.

Das von Knowtion entwickelte Verfahren benötigt lediglich ca. 5 kByte Speicher.

Endverbraucher erhält weiterführende Informationen gewonnen aus den Temperaturmessungen, wie z. B. ein detaillierter Temperaturverlauf, Energieladezustände, Energiebilanzen und den Zeitpunkt und das Volumen von Warmwasserzapfungen.

Damit kann zukünftig der Verbrauch an fossilen Brennstoffen reduziert und der Einsatz durch Solarenergie optimiert werden.

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