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Modellbasierte Regelung von Scheitholzkesseln mit Pufferspeicher - Smart logwood boiler

Endbericht (Entwurf)

Deutsch M, Gölles M, Zemann C, Zlabinger S

Published 21.12.2018

Citation: Deutsch M, Gölles M, Zemann C, Zlabinger S. Modellbasierte Regelung von Scheitholzkesseln mit Pufferspeicher - Smart logwood boiler. FFG, Energieforschungsprogramm 1. Ausschreibung. 2018.

Abstract

Scheitholzkessel sind die in Europa immer noch am stärksten verbreitete Form von Holz-basierten Zentralheizungssystemen. Der Bestand ist überaltert und weist die größten Anteile an den verursachten Schadstoffemissionen aus Festbrennstoffzentralheizungssystemen auf. Das Ziel des Projektes, die komplette Neuentwicklung einer modellbasierten Regelung für Scheitholzkessel mit Pufferspeichern und einer Solaranlage, stellte einen Technologie-sprung in Richtung einer drastischen Reduktion der Schadstoffemissionen (CO, org. C, Fein-staub) bei gleichzeitiger Erhöhung des Nutzungsgrades und Benutzerkomforts dar. Dabei erfolgte sowohl die übergeordnete Regelung des Zusammenspiels der Komponenten (Systemregelung) als auch die Regelung der einzelnen Komponenten (Feuerungsregelung, Hydraulikregelung) modellbasiert. Die neue Regelung basiert auf einer gezielten Interaktion mit dem Benutzer, in welcher der Benutzer zielgerichtet zum Nachlegen einer bestimmten Brennstoffmenge in einem bestimmten Zeitraum aufgefordert wird. Zusätzlich dazu werden alle Teilprozesse (Verbrennung des Scheitholzes, Übertragung der Wärme in den Pufferspeicher, usw.) modellbasiert und damit deutlich effizienter und genauer geregelt. Im Fall der Feuerungsregelung wurde zusätzlich zur modellbasierten Regelung von Vorlauf-temperatur und Sauerstoffgehalt auch eine innovative CO-l-Regelung eingesetzt, die basierend auf einer kontinuierlichen Schätzung der CO- l-Charakteristik unter Verwendung eines kombinierten Sensors zur Sauerstoffmessung und Detektion unverbrannter Kompo-nenten stets einen für den aktuellen Betriebszustand optimalen Sollwert für den Sauer-stoffgehalt vorgibt. Die laufende Anpassung des Sauerstoffgehaltes führt zu einer deutlichen Reduktion der Schadstoffemissionen (CO, org. C, Feinstaub). Zum Erreichen dieser Ziele wurden im Wesentlichen folgende Schritte durchgeführt:

  • Experimentelle Untersuchung und Modellierung des Abbrandverhaltens von Scheitholz (inklusive der CO-l-Charakteristik)
  • Entwicklung einer übergeordneten modellbasierten Systemregelung
  • Entwicklung einer modellbasierten Feuerungsregelung (inkl. CO-l-Regelung) für einen effizienten und schadstoffarmen Betrieb des Scheitholkessels
  • Experimentelle Bewertung des Potentials der modellbasierten Regelung
  • Analyse der Anforderungen zur Anpassung der Regelung an andere Konfigurationen

 

Das beantragte Projekt leistete somit einen entscheidenden Beitrag zum Ausschreibungs-schwerpunkt „Effiziente und emissionsarme Klein- und Kleinstfeuerungen durch Integration einer intelligenten Verbrennungs- und Leistungsregelung“ und ging zusätzlich explizit auf die im Ausschreibungsleitfaden adressierte Verwendung von kombinierten Sensorsystemen wie CO- l-Sensorsysteme zur Verbrennungsregelung ein. Dabei ist insbesondere hervorzuheben, dass der durchdachte Ansatz das Sensorsignal zu Schätzung der CO- l-Charakteristik zu verwenden den wesentlichen Vorteil mit sich bringt, dass die exakte Messung der CO-Emissionen durch den Sensor nicht erforderlich ist, sondern es ausreicht, wenn dieser die Tendenzen richtig wiedergibt.

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