Regelungen einer Wärmepumpenanlage

Um die Ursache der Unterbrechungsmeldung und die Auswirkungen einer Änderung der Schalthysterese auf die Raumtemperatur verstehen zu können, analysieren die Schülerinnen und Schüler die Regelung einer Wärmepumpenanlage.

Zweipunktregelung

Das Thema "Regelung einer Wärmepumpenanlage" dient als Einführung in die Regelungstechnik. Die Regelung der Temperatur der abgegebenen Wärme erfolgt üblicherweise durch Ein- und Ausschalten der Wärmepumpe (Zweipunktregelung).

Neben einer Zweipunktregelung besteht neuerdings noch die Möglichkeit der Leistungsregelung mittels Frequenzumformer. In Deutschland zeichnet sich bisher nicht ab, dass sich solche drehzahlgeregelten Elektrowärmepumpen zur Hausheizung durchsetzen werden.

Regelkreis

Es wird eine konstante Außentemperatur über den betrachteten Zeitraum angenommen und es wird eine ausbleibende Wärmeeinstrahlung auf den Raum, beispielsweise durch Sonnenstrahlung, Personen oder Beleuchtung, vorausgesetzt.

Durch diese Annahmen wird erreicht, dass die Lüftungs- und Transmissionswärmeverluste konstant sind und somit die Rücklauftemperatur der Fußbodenheizung als Regelziel konstant gehalten werden soll, das heisst das Führungsverhalten des Regelkreises bei konstantem Sollwert der Rücklauftemperatur wird untersucht.

Gewählt wurde eine Anlage ohne Einzelraumregelung, um die Komplexität des Systems weiter zu verringern. Im Wirkungsplan ist die Regelung einer Wärmepumpenanlage der Firma Waterkotte dargestellt. Der Wärmepumpenregler "RESÜMAT CD" besteht aus der Reglerplatine und einem Bedienteil, das in die Blende der Wärmepumpe eingebaut ist.

Folgende Texte enthalten die Anleitung für die Wärmepumpenalage der Firma Waterkotte:

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Wirkungsplan nach DIN

Nachdem die Regelung mittels der Analysemethode von den Schülerinnen und Schülern untersucht wurde, ordnen sie die Größen und die Elemente der Wärmepumpenregelung dem Wirkungsplan einer Regelung nach DIN 19226 zu.

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Simulation in BORIS

Der Regelkreis wird von den Schülerinnen und Schülern im Modul BORIS des Programms WinFACT abgebildet. Sie setzen die Software erstmalig ein. Das Programm ist in verschiedenen Varianten von Komponenten und Lizenzen erhätlich. Auf der Site des Ingeneurbüro Kahlert gibt es eine Preisliste mit den günstigeren Studienlizenzen. Eine Demo-Version (ohne die Möglichkeit des Speicherns und Druckens) kann kostenlos angefordert werden. In dem Fachbuch "Regelungstechnik - Projekte für den Lernfeldunterricht" vom Bildungsverlag EINS gibt es eine Light-Version des Programms.

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Unterbrechungsbetrieb

In der Aufgabenstellung ist die Behebung des Unterbrechungsbetriebs gefordert. Grund für den Unterbrechungsbetrieb sind Vorschriften des Versorgungsnetzbetreibers. Er verlangt eine Begrenzung der Schalthäufigkeit auf maximal drei Einschaltungen pro Stunde. Die Begrenzung der Schalthäufigkeit vermindert die Netzrückwirkungen.

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Der Unterbrechungsbetrieb des Wärmepumpenreglers ist im Regler "RESÜMAT CD" programmtechnisch wie folgt realisiert:

Sind 20 Minuten zu dem vorherigen Einschaltpunkt vergangen?

Wenn ja -> Einschalten

Wenn nein -> Warten bis 20 Minuten um sind und dann einschalten

 

Die Begriffe Schalthäufigkeit und Schalthysterese wurden während der Analyse der Wärmepumpenregelung geklärt. Die einzige sinnvolle Lösung zur Aufgabe besteht in der Vergrößerung der Schalthysterese. Nur theoretisch wäre der Einbau eines Pufferspeichers eine Alternative.

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Die Schülerinnen und Schüler lesen die Ein- und Ausschaltzeit und die Schalthysterese aus dem Diagramm ab. Sie berechnen die Schaltzyklusdauer und die Schalthäufigkeit.

Simulation in BORIS

Der gestrichelte Zeitverlauf wurde für eine Hysterese von 2°C und der durchgezogene Zeitverlauf für eine Hysterese von 3°C aufgenommen. Da die Regelstrecke träge ist, überschreitet die Rücklauftemperatur den oberen Schaltpunkt und unterschreitet den unteren Schaltpunkt. Dieses Nachheizen und das Abkühlen sind im Zeitverlauf erkennbar.

Die Auswirkungen der Erhöhung der Schalthysterese wird in der Simulation mittels BORIS deutlich. Der Unterbrechungsbetrieb wurde aufgehoben.

Autor
Avatar Markus Asmuth

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