TGA Solartechnik

TGA Ausgabe 01-2013
Thermische Solaranlagen

Funktionskontrolle und Ertragsüberwachung

Abb. 1 Stadtquartier Erlangen, Kollektoranlage auf dem Dach. (Quelle: Kunath)
Abb. 1 Stadtquartier Erlangen, Kollektoranlage auf dem Dach.

Eine Funktionskontrolle solarthermischer Anlagen im Sinne einer Fehlerdetek­tion, einer Fehleridentifikation sowie einer Ertragsüberwachung, d.h. einer Aussage über den erzielten Solarertrag, bietet große Vorteile. Wie in der Photovoltaikbranche schon seit einigen Jahren zu beobachten ist, steigert ein solches Prüfsystem nicht nur die Akzeptanz beim Nutzer, sondern verbessert ebenfalls die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Besonders größere thermische Solaranlagen könnten dadurch für Investoren zunehmend interessant werden [1].

Mit einer wirksamen Funktionskontrolle und Ertragsüberwachung wird sichergestellt, dass erzielbare solare Erträge auch genutzt werden und dadurch die sogenannte Bankability (Finanzierungswürdigkeit) steigt [2]. Es gibt bereits einige Ansätze zur Funktionskontrolle und Ertragsüberwachung, die jedoch nicht vollständig überzeugen bzw. sich bisher nicht durchsetzen konnten, im Wesentlichen aufgrund der damit verbundenen Kosten [3]. Ein weiteres Hemmnis ist, dass die mit einem solchen System mögliche Überprüfung der Planung und der Installation nicht von allen Beteiligten gern gesehen wird [4].

Reglerintegriertes Konzept

Im Rahmen einer Diplomarbeit [5] wurde in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Rehau ein Konzept zur reglerintegrierten Funktionskontrolle und Ertragsanalyse solarthermischer Anlagen erarbeitet und überprüft. Am Beispiel eines Mehrfamilienhauses in Erlangen ( http://www.stadtquartier-erlangen.de ) wurde das Konzept praktisch umgesetzt und getestet.

Das viergeschossige Gebäude hat 29 Wohnungen und ca. 2800 m2 Wohnfläche. Die dezentrale Trinkwassererwärmung erfolgt durch eine Kombination aus Fernwärme und Solarthermie. Die thermische Solaranlage besteht aus einem 18 Solarkollektoren umfassenden Kollektorfeld auf einem Flachdach Abb. 1 und drei seriell verschalteten 910-l-Pufferspeichern. Ihre solare Beladung erfolgt über einen Plattenwärmeübertrager, der zusammen mit den dazugehörigen Pumpen und einer Hydraulikgruppe in der Solarübergabestation Abb. 2 vorinstalliert ist. Zur Regelung dient ein ebenfalls integrierter Solargroßregler SC800.

Mit drei Zwei-Wege-Ventilen wird die solare Beladung der Speicher gesteuert, damit das erwärmte Heizungswasser entsprechend seiner Temperatur eingeschichtet wird. Der erste Speicher dient gleichzeitig als Bereitschaftswärmespeicher und wird bei Bedarf über die Fernwärme beladen. Die Wärmeverteilung zu den Wohnungen erfolgt über Wohnungsübergabesta­tionen mit Plattenwärmeübertragern zur Trinkwassererwärmung.

Ein System zur Funktionskontrolle und Ertragsüberwachung solarthermischer Systeme gliedert sich in vier Teilbereiche:

Ertragsüberwachung und Kontrolle des Gesamtsystems,

Funktionskontrolle von Systemteilbereichen,

Ergebnisausgabe und Visualisierung und

Fehlerbehebung und Support.

Ertragsüberwachung

Die Ertragsüberwachung kann umgesetzt werden, indem der Standardregler über zwei Wärmemengenzähler, die in die Speicher eingespeiste Energie (Solarertrag) und die aus dem Speicher entnommene Energie (Verbrauch) erfasst. Darüber hinaus sollte ebenfalls die Möglichkeit bestehen, Wetterdaten aufzuzeichnen oder über einen Wetterdatenanbieter (im Projekt: Meteonorm) zu beziehen. Über eine Kommunikationsschnittstelle werden diese Werte an ein dynamisches Simulationsprogramm übertragen.

In dem Simulationsprogramm wird die ­Anlage abgebildet und der Soll-Ertrag bestimmt und mit dem (gemessenen) Ist-Ertrag verglichen. Differenzen deuten auf Fehler bzw. Fehlfunktionen hin. Zur Überprüfung ­dieses Verfahrens wurde die Anlage in Erlangen mit dem Simulationsprogramm Polysun [6] abgebildet und die Resultate der Simulation den gemessenen Erträgen gegenüber­gestellt Abb. 3 .

Besonders sei darauf hingewiesen, dass für die Simulation die gemessene Last- und Wetterdaten verwendet wurden. Als Überprüfungszeitraum wurde ein Monat gewählt. Mit diesem Verfahren wurde ein Minderertrag festgestellt. Als Ursache wurde ein falsch eingebautes Dreiwegeventil erkannt.

Funktionskontrolle

Für die Funktionskontrolle des Systems bzw. von Systembereichen wurden Funktionskontrollabfragen, basierend auf der Hydraulik und der Regelstrategie, entwickelt [5]. Bei der Analyse wurde deutlich, dass die meisten Fehler­identifikationsabfragen spezifisch auf jede Anlagenhydraulik angepasst werden müssen. Da die meisten Symptome und Identifikationsverfahren mehrere Fehlerursachen zulassen, sind Fehler häufig nicht eindeutig identifizierbar. So kann z.B. das Takten der Solarkreispumpe durch eine falsche Kollektorfühlerposition oder ungünstige Regeleinstellungen der Solarkreispumpe oder durch eine überdimensionierte Pumpe verursacht werden.

Idealerweise wird für die Funktionskontrolle die ohnehin vorhandene Regel- und Messtechnik der thermischen Solaranlage zur Erfassung der relevanten Zustände im System genutzt. Dies ist bei vielen neueren Solarreglern bereits mehr oder weniger umfangreich üblich und Stand der Technik. Wichtig erscheint, dass die Funktionskontrolle möglichst automatisiert ablaufen sollte. Die Datenverarbeitung kann entweder direkt im Regler oder über einen ­externen Rechner erfolgen.

Erster Schritt der Funktionskontrolle ist eine Plausibilitätsprüfung der Sensoren. Anschließend erfolgen die Fehleridentifikationsabfragen. Anzahl und Position der zusätzlich be­nötigten Sensoren richten sich nach der verwendeten Anlagenhydraulik und der angestrebten Überwachungstiefe. Der Markterfolg einer Funktionskontrolle und Ertragsanalyse ist maßgeblich von den zusätzlichen Kosten abhängig. Die Mehrkosten für eine Funktionskontrolle und Ertragsüberwachung sollten 10 % der Gesamtinvestitionskosten nicht überschreiten.

Ein Beispiel für eine Funktionskontrollabfrage ist der Vergleich der Kollektoraustrittstemperatur mit der Temperatur am Plattenwärmeübertrager. So sollte die Temperatur am Kollektoraustritt bei Pumpenstatus „Ein“ stets größer als die Temperatur am Plattenwärmeübertrager sein. Ist jedoch die Temperatur am Platten­wärmeübertrager höher, können entweder ein defekter Temperatursensor, eine Kollektorrückkühlung oder ein falsch platzierter Sensor am Kollektoraustritt die Ursache sein. Dieses Überschwingen der Temperatur am Platten­wärmeübertrager konnte an der vermessenen Solaranlage beobachtet werden Abb. 4. Der Kollektorfühler war (nach dem ersten von sechs Kollektoren) falsch positioniert. Durch den Umbau des Sensors wurde der Fehler ­behoben Abb. 5.

Fehlerevaluierung

Um die erarbeiteten Fehlerkontrollabfragen auch auf andere Anlagenschaltungen zu übertragen, muss eine Anpassung auf das jeweilige System erfolgen. Eine Standardisierung von Hydraulikschemen ist hierbei sinnvoll, um dies wirtschaftlich durchführen zu können.

Eine absolute Sicherheit der Fehleridentifikation ist nur in Ausnahmefällen zu erreichen, denn bei der Detektion einer Fehlfunktion wird eigentlich nur ein Symptom wahrgenommen, welches auf eine Fehlfunktion schließen lässt. Aus diesem Grund kann eine automatisierte Funktionskontrolle eine manuelle Anlagenwartung nicht vollständig ersetzen, sondern bestenfalls unterstützen.

In Verbindung mit einer Plausibilitätskontrolle kann durch Fehleridentifikationsabfragen die Grundfunktionalität einer thermischen Solaranlage sichergestellt und ein Totalausfall identifiziert werden. Entwicklungsbedarf besteht bei der Ergänzung der Fehleridentifika­tionsabfragen und bei der Umsetzung zur ­Integration in einen Regler. Vielversprechend erscheinen die Entwicklung eines KalmanFilters1) zur Verbesserung der Plausibilitätskontrolle und die Integration einer Simulationssoftware zur Optimierung der Regelkriterien in Echtzeit.

Schlussfolgerungen

Es konnte gezeigt werden, dass die Nutzung von Simulationsprogrammen für die Ertragsüberwachung sinnvoll und zielführend ist. Darüber hinaus erreicht man hinreichend genaue Ergebnisse, wenn Wetterdaten über Fremdanbieter bezogen und in die Simulation eingefügt werden. Allerdings sollten diese Wetterdaten für den Standort und Zeitraum der zu überprüfenden Anlage vorliegen. Unter Einbeziehung der Lastbedingungen, der gemessenen Wetterdaten und der Systemhydraulik konnte eine Ertragsüberwachung erfolgreich durchgeführt werden.

Es konnte auch nachgewiesen werden, dass sich die entwickelten Fehleridentifikationsabfragen zur Funktionskontrolle eignen. Da die Fehleridentifikationsabfragen von der Anlagenhydraulik abhängig sind, müssen sie für jede Anlagenhydraulik angepasst werden.

Ein hoher Aufwand resultiert aus der Erstellung und Anpassung der Simulationsmodelle der realisierten Solaranlagen. Bei standardisierten Anlagen verringert sich der Aufwand jedoch erheblich.

Wichtigste Aufgaben für die weitere Entwicklung sind die Umsetzung in Prototypen und eine Validierung. Dazu bedarf es der intensiven Zusammenarbeit zwischen den Herstellern von Regelungstechnik, den Solarsystemanbietern, den Herstellern von Simulationssoftware und gegebenenfalls den Anbietern von Wetterdaten.  

Danksagung

Mein besonderer Dank gilt Prof. Dr.-Ing. Mario ­ Reichel von der Fakultät Maschinenbau an der ­Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden für die Betreuung und Unterstützung im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit. Dank gilt auch den Betreuern bei Rehau, Frank Späte­ und Frank Trommetter, für die viele Geduld und die wertvollen Diskussionen. Bedanken möchte ich mich auch für die Unterstützung von Simon Geisshüsler (Vela Solaris) und Jan ­Remund (Meteonorm). Lars Kunath

1) Vereinfacht eliminiert ein Kalman-Filter von den Messgeräten ­verursachte Störungen. Dazu müssen die mathematische Struktur des zugrunde liegenden dynamischen Systems und der Messverfälschungen bekannt sein.

Literatur

[1] Peuser, F.A.,Croy, R. Rehrmann, U., Wirth, H.P: Solare Trinkwasser­erwärmung mit Großanlagen, Praktische Erfahrungen. Bonn: ­Fachinformationszentrum Karlsruhe, BINE Informationsdienst, 1999

[2] Stryi-Hipp, G., Drück, H., Wittwer, V., Zörner, W.: Forschungsstrategie Niedertemperatur-Solarthermie 2030. Berlin: Deutsche Solarthermie Technologie Plattform (DSTTP), 2010

[3] De Keizer, A.C., Vajen, K., Jordan, U.: Review of long-term fault detection approaches in solar thermal systems. Kassel: Institute of ­Thermal Engineering Kassel University, 2011

[4] Oberzig, K.: Performance muss messbar sein. Berlin: Deutsche ­Gesellschaft für Sonnenenergie, Sonnenenergie 03-2011

[5] Kunath, L.: Funktionskontrolle und Ertragsanalyse mittelgroßer ­Solarthermischer Systeme. Dresden: Diplomarbeit (unv.), HTW Dresden, Fakultät Maschinenbau/Verfahrenstechnik, LG TGA, 2012

[6] Vela Solaris: Polysun Simulationssoftware 5.7 Version Designer. ­Winterthur: Vela Solaris, 2011

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Funktionskontrolle und Ertragsüberwachung
  2. Teil: Wichtig für TGA-Planer, Anlagenbauer und Bauherren
  3. Teil: Im Kontext
  4. Teil: HeizkostenV
  5. Teil: Dipl.-Ing. (FH) Lars Kunath
  • Abb. 2 Pufferspeicher und Solarübergabe­station.
  • Abb. 4 Messwerte bei falscher Position des Kollektorfühlers Datenaufzeichnung am 25. April 2011.
  • Abb. 5 Messwerte nach der Neupositionierung des Kollektorfühlers Datenaufzeichnung am 12. Juli 2011.
Kunath
Kunath
Kunath
  • Zurück
  • Druckansicht
  • Versenden

Weitere TGA online Inhalte

Weitere Links zum Thema: