IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 6/1997, Seite 205 ff.
MSR-TECHNIK
Fuzzy-Logic beim Einsatz komplexer solarthermischer Gebäudesysteme
Ergebnisse und Anwendungen
Dipl.-Ing. Winfried Eckert, Dipl.-Ing. Jens Heidrich, Dr.-Ing. Ulrich Knopf*
Das Projekt "Entwicklung eines wissensbasierten Steuerungssystems zur Regelung komplexer Systeme zur Anwendung erneuerbarer Energien" des VTI Thüringer Verfahrenstechnisches Institut für Umwelt und Energie e.V. beschäftigte sich mit der Erstellung einer fuzzy-basierten Steuerung für eine Heizungsanlage mit solarthermischen Komponenten. Die Ergebnisse und Schlußfolgerungen des Projektes sollen hier vorgestellt werden.
Ausgangssituation
Im derzeitigen Haus- und Wohnungsbau ist die konsequente Durchsetzung von umweltfreundlichen Baumaßnahmen wie gute Wärmedämmung, schadstoffarme Heizanlage, Lüftungssysteme und die Nutzung regenerativer Energiequellen nur selten anzutreffen. Ein erster Schritt zum vollständig energieoptimierten Gebäude ist die bedarfsgerechte Steuerung der Heizungsanlage mit Integration solarer Wärmeerzeuger unter Berücksichtigung des solaren Energieangebotes und des Speicherzustandes.
Ein wichtiger Beitrag zum Umweltschutz ist die konsequente Durchsetzung von Niedrigenergiestandards im Bauwesen wie gute Wärmedämmung, schadstoffarme Heizanlage, Lüftungssysteme und die Nutzung von Energie aus regenerativen Energiequellen. Die komplexe Anwendung dieser sehr umfangreichen Planungs- und Baumaßnahmen findet im derzeitigen Wohnungsbau nur sehr selten statt. Das Potential an Energieeinsparungsmöglichkeiten im Haus- und Wohnungsbau ist bei weitem nicht erschöpft. Das gilt für Neubauten wie für Sanierungsmaßnahmen.
Das schwankende Angebot an regenerativen Energien und die Unerfahrenheit von Bauherren und Baufirmen tragen zu einem eher verhaltenen Einsatz regenerativer Energietechnologien bei. Die finanzielle Mehrbelastung beim Einsatz umweltfreundlicher Technologien ist ein weiterer Grund.
So ist der Anteil der regenerativen Energien an der Wärmeversorgung von Wohnhäusern noch sehr gering. Die Forschungsaktivitäten zur Optimierung solarthermischer Systeme in sich sind zwar groß, deren Steuerung und die Technologie zur Integration in komplexe Energiesysteme, konkret zur Anwendung in Wohnhäusern, ist dagegen noch nicht sehr weit entwickelt.
Während Heizungsanlagen anhand der eingestellten Heizkennlinie nach der Außentemperatur geregelt werden, geschieht die lokale Temperaturregelung in den einzelnen Räumen durch Thermostatventile an den Heizkörpern. Der reale Wärmebedarf ist sekundär, primär ist das Temperaturniveau des Heizkessels und zwar unabhängig vom Wärmebedarf in den Räumen. Die Erweiterung der konventionellen Heizungsanlage zur Nutzung der Solarenergie und die Einbeziehung von energiesparenden Baumaßnahmen stellt die Regelung der Kesseltemperatur nach der Außentemperatur in Frage. Diese Situation führte zur Entwicklung einer Heizungssteuerung zur Versorgung eines Gebäudes mit solar erzeugter Wärmeenergie und konventionell erzeugter Zusatzenergie im Bedarfsfall.
Zielstellung
Das Ziel des Projektes war die Minimierung des Energieeinsatzes aus fossilen Quellen, die Optimierung der Abdeckung des Wärmeenergiebedarfs des Verbrauchers, die Maximierung des Einsatzes regenerativer Energieträger und die Ableitung von Empfehlungen zur Auslegung solcher Systeme. Eine besondere Rolle spielt dabei die Einbeziehung von Niedertemperaturspeichern.
Dazu sollte eine Steuerung für ein Heizsystem, basierend auf Fuzzy-Logic, entwickelt werden, die Energiebedarf, solares Energieangebot und Speicherzustand verknüpft. Zur Verringerung der Kosten sollte sie so konzipiert sein, daß sie auch in ein bestehendes System einer konventionellen Heizungsanlage integriert werden kann. Zur Dimensionierung des Reglers wurden extreme Wetter- und Heizsituationen simuliert. Hiermit konnte das Versuchsobjekt (Bild) nachgestellt und auf spezielle Zusammenhänge untersucht werden. Zur Regelstrategie sollten ebenfalls Wetter- und Heizbedarfsvorausschau gehören, um über Trendaussagen den künftigen Heizbedarf und somit auch die notwendigen Reglerentscheidungen ableiten zu können. Die Daten aus dem Versuchsprogramm (Solarstrahlung, Temperaturen) sollten zur Verifizierung der Steuerung und des Simulationsmodelles sowie für spätere Forschungsaktivitäten genutzt werden. Die Analyse meteorologischer Daten und die Beachtung lokaler klimatischer Besonderheiten scheint im Zusammenhang mit der Berechnung der künftigen Wettersituation von großer Wichtigkeit. Erfahrungen aus dieser Versuchsreihe kommen somit auch zukünftigen Projekten auf diesem Gebiet zugute.
Solarbungalow in schematischer Darstellung.
Die Realisierung des Projektes begann im Oktober 1995 am Solarbungalow der Firma SESOL GmbH in Langewiesen, Ilmkreis. Der Bungalow als modellhaftes komplexes Energiesystem ist zur Nutzung der solaren Energie mit zahlreichen solaren Komponenten ausgerüstet. Dazu zählen die an der Südseite (zum Teil auch nach Osten bzw. Westen orientierten) senkrecht angebrachten Luftkollektoren, die an der Außenseite mit transparenten Wärmedämmelementen (TWD) bestückt sind, um den Nutzungsgrad der Solarenergie zu erhöhen. Die in den Luftkollektoren erwärmte Luft wird über ein Rohrsystem zwei Steinspeichern zugeführt. Die Speicher befinden sich in jeweils einem Betriebsraum zu beiden Seiten des nach Süden ausgerichteten Wintergartens. Der Wintergarten versorgt den größten Raum des Bungalows, den Konferenzraum mit solarer Energie durch seine große Glasfläche. Zusätzlich wird die erwärmte Luft des Wintergartens für die Fußbodenheizung genutzt. Die eigentliche Wärmeversorgung des Konferenzraumes geschieht durch Luftzirkulation zwischen Konferenzraum und erwärmten Speichern oder direkt durch die Luftkollektoren. Hier ist auch der Ansatz der zu entwickelnden Steuerung und der dafür einzubringenden Zusatzheizung zur Absicherung von Schlechtwettersituationen.
Auf dem Dach des Bungalows befinden sich zusätzlich ein Speicherkollektor zur Warmwasserversorgung.
Die im Bungalow installierte Meßtechnik bildet die Grundlage für Meß- und Versuchsreihen.
Bisher war keine Regelung in das Luftheizsystem integriert. Das Beladen der Steinspeicher bzw. die Abgabe von Wärmeenergie an das Gebäude wurden manuell mit Lüftern und Schiebern im Rohrsystem eingestellt. Dabei gab es die Betriebsarten "Speicherbeladung", "Speicherentladung" und "Direktbetrieb".
In der Betriebsart "Speicherbeladung" wird die bei guter Solarstrahlung in den Luftkollektoren erzeugte Warmluft von den Kollektoren in die Steinspeicher und zurück transportiert.
Beim "Speicherentladen" wird durch den Luftumlauf zwischen Speicher und Konferenzraum die gespeicherte Wärme an den Konferenzraum abgegeben. Der "Direktbetrieb" ist der Luftaustausch zwischen Luftkollektoren und Konferenzraum, ohne den Speicherzustand zu verändern. Verschiedene Mischbetriebsarten sind ebenfalls realisierbar. Aufgrund ihrer geringen Effektivität und der schlechten Reproduzierbarkeit sind sie hier allerdings nicht von Interesse. Die drei Betriebsarten bilden zusammen mit der Zusatzheizung die Grundlage für die Regelung.
Regelstrategie
Heizungsanlagen sind im Normalfall außentemperaturgeführt. Kommt eine solarthermische Komponente hinzu, muß zusätzlich eine Regelung für den Solarkreis vorhanden sein.
Für ein energieoptimiertes Gebäudesystem ist die Berücksichtigung von zusätzlicher Wärme (z.B. solare Einstrahlung durch Fenster) und das Vermeiden von unnötig hohen Speichertemperaturen wichtig. Deshalb ist die außentemperaturgeführte Regelung der Speichertemperatur ungünstig. Besser ist die Anpassung des Temperaturniveaus des Speichers an den tatsächlichen Wärmebedarf unter Einbeziehung von solaren Wärmegewinnen. Es gibt bereits Untersuchungen zur bedarfsgeführten Regelung der Kesseltemperatur [1], auch mit Einsatz der Fuzzy Logic [2, 3, 4].
Bei der zu erstellenden Steuerung ist deshalb die Speichertemperatur zusätzlich vom solaren Energieeintrag abhängig. Es soll eine Zusatzheizung konventioneller Bauart zur Speicherbeheizung eingesetzt werden, wenn die Solarstrahlung und die vorhandene, gespeicherte Wärmemenge nicht ausreichen, den aktuellen Heizwärmebedarf abzudecken.
Die Entscheidung für einen Fuzzy-Regler begründet sich mit der großen Anzahl der Eingangsgrößen, die zwangsläufig durch die Forderung nach minimaler Zusatzenergie und optimaler Solarnutzung Beachtung finden müssen. Die grob erstellte Regelung kann durch einfaches Hinzufügen neuer Regeln in der Regelgüte verbessert und die einmal erstellte Regelung an neue Umgebungen (Gebäude) angepaßt werden. Für ein komplexes System mit einer großen Anzahl von Eingangsgrößen ist diese Entwurfsmethode sinnvoll. Bei der Erstellung des Heizungskonzeptes geht es darum, die Vorteile der bedarfsgeführten Heizungssteuerung auf der Basis eines Fuzzy-Systems mit den Forderungen der rationellen Energieverwendung im Niedrigenergiehaus zu verbinden und den Grundstein für eine Weiterentwicklung zu einem Komplettsystem für die Anwendung bei Neubauten oder Altbausanierungen zu legen.
Die Wärmeenergie aus dem Kollektorsystem bzw. der Zusatzheizung wird in einem Stein- oder Wasserspeicher gesammelt und dort der Gebäudebeheizung zur Verfügung gestellt. Wasser oder Luft dient als Speichermedium für den Solarkreis und den Hauskreis als Wärmetauscher und beinhaltet die Zusatzwärmequelle. Eine Brauchwasserbereitung kann ebenfalls durch einen zusätzlichen Speicher im Innern des Kessels (Wärmeaustausch mit dem Kesselmedium) vorgesehen werden. Diese Komponente wurde bei der Erstellung des Regelsystems nicht berücksichtigt. Hier sollte (wie beim Solarkreis) eine separate Regelung eingesetzt werden, da Brauchwasserbedarf und Heizbedarf nicht unbedingt konform gehen.
Weitere Eingangsgrößen für das Fuzzy-System sind die Außentemperatur, die horizontale Globalstrahlung und deren Änderungen. Aus allen Eingangsgrößen fällt das Fuzzy-System anhand der implementierten Regelbasis eine Entscheidung über die Heizdauer der Zusatzheizung. Für ein schadstoff- und verschleißarmes Betreiben von Brennern einer Heizanlage wird in der Literatur auf eine Mindestbrennerlaufzeit von 4 min. orientiert. Diese Regel soll hier auch zum Tragen kommen. Eine Fuzzy-Entscheidung für eine Heizdauer ³ 4 min. bewirkt erst ein tatsächliches Einschalten der Zusatzheizung. Da im Bungalow nicht mit Thermostaten für den Hauskreislauf gearbeitet werden kann, wird hier die Bedarfskurve aus der Differenz der momentanen Temperatur im Konferenzraum und der Solltemperatur gebildet. Es wird die morgendliche Ein- und die abendliche Abschaltung der Heizung vorausgesetzt.
Simulation des Bungalows
Zur Anpassung an den Bungalow wurde der Fuzzy-Regler mit dem Simulationsprogramm TRNSYS 14 simuliert, um so die Grenzwerte der Solaranlage, der Speicher und der Bausubstanz zu erhalten. Die Nutzung des Simulationsprogrammes TRNSYS beinhaltet die Erstellung eines Modells des Solarbungalows der Firma SESOL zur Überprüfung der vorhandenen und zukünftigen Meßdaten und Verwendung der erkannten Gesetzmäßigkeiten und Parameter in der Steuerung.
Erstellung des Fuzzy-Reglers
Zur Erstellung des Fuzzy-Reglers wurde das Ilmenauer Fuzzy-Tool (Version 2.0) verwendet. Es diente auch dazu, das Fuzzy-System in die speicherprogrammierbare Steuerung (Modulare Kommunikative Steuerung, MKS 16) zu laden. Um die entworfene Regelstrategie nicht nur zu Untersuchungszwecken im Solarbungalow, sondern im Hinblick auf eine spätere Nutzung in Niedrigenergiehäusern einsetzen zu können, war der erste Schritt die Annäherung der Wirkungsweise des Betriebsraumes I im Solarbungalow an reale Heizungskonzepte und der damit verbundene Umbau der Luftleitungen und des Speichers.
Das Konzept entstand durch Auswertung bereits verwirklichter Fuzzy-Regelungen für Heizanlagen [2], der Einbeziehung des solarthermischen Anlagenkonzeptes in die Regelstrategie und der Auswertung des wirklichen Wärmebedarfs im Gebäude. Der Zustand des Speichers geht dabei indirekt in die Größe Wärmebedarf ein. Zielgröße ist allerdings nicht mehr die Speichertemperatur, sondern die optimale Raumtemperatur. Ob der Wärmeeintrag in den Raum vom Speicher, den Solarkollektoren oder der Zusatzheizung geschieht, war die zu lösende Problemstellung. Die Beladung des Speichers mit Wärmeenergie aus den Solarkollektoren erfolgt, sobald die Lufttemperatur im Kollektor höher ist als im Speicher. Die Wärmezufuhr in den Raum über den Speicher geschieht (ebenfalls unabhängig von der eigentlichen Regelung) in Abhängigkeit des Raumtemperaturwertes vom Sollwert.
Durch Aufnahme der Soll-Ist-Abweichung der Raumtemperatur und Speichern der Werte ergibt sich eine "Bedarfskennlinie" des Raumes. Aus dieser werden die Eingangsgrößen für die Fuzzy-Steuerung gebildet. Das ist zunächst der "aktuelle Wärmebedarf". Eine weitere Eingangsgröße aus der Bedarfskennlinie ist die "Kurzzeittendenz" des Wärmebedarfs, die die Entwicklung des Bedarfsniveaus seit dem letzten Regelzyklus widerspiegelt. Sie dient zum Erkennen kurzfristiger Wärmeentwicklungen im Raum. Weiterhin werden Eingangsgrößen aus der Wetterlage benötigt, z.B. die aktuelle Solarstrahlung, deren Änderung im Regelzyklus sowie die Außentemperatur und deren Änderung.
Bei der Reglerentwicklung wurde von einem gut abgedichteten und nach Süden fensterreichen Gebäude ausgegangen. Somit ist der Einfluß der Solarstrahlung auf die Wärmebilanz des Gebäudes größer als der Einfluß der Außentemperatur.
Installation der Steuerung und Versuchsdurchführung
Die Umsetzung des Regelkonzeptes im Bungalow erfolgte durch Portierung des Fuzzy-Reglers in die Modulare Kommunikative Steuerung (MKS 16) und durch Erstellung zahlreicher Unterprogramme. Diese dienen der Steuerung des Kollektor-Speicher- und Speicher-Raum-Kreises, der Meßwertübernahme und der Tendenzbildung sowie der Zyklensteuerung. Die Meßwerterfassung erfolgt im Minutentakt, die Regelentscheidung wird halbstündig getroffen. In bestimmten Zeitabständen werden Mittelwerte, Verläufe und Tendenzen berechnet.
Nach der Erstellung des Fuzzy-Reglers und der Unterprogramme für die MKS 16 begann die Versuchsphase. Hier wurden erste Ergebnisse und Meßdaten analysiert und einige Optimierungen durchgeführt. Dazu gehörten die Anpassung der Zyklenzeiten und einiger Wertebereiche.
Ergebnisse
Bei den Versuchen im Solarbungalow konnte das Steuerungssystem mit Fuzzy-Regler und Unterprogrammen erfolgreich betrieben werden. Die Richtigkeit der Fuzzy-Regelbasis wurde bestätigt und die Wertebereiche für die Fuzzy-Variablen entsprechend dem Optimierungsprozeß angepaßt.
Das Simulationsmodell in TRNSYS wurde auf die Umbauten im Solarbungalow abgestimmt. Am Ende bestätigten die Simulationen die prinzipielle Richtigkeit des Modells.
Zukunft
Die entwickelte Steuerung stellt einen erfolgversprechenden Ansatz zur Erstellung von energieoptimierten Hauskonzepten dar. Die Übertragung der Erkenntnisse dieses Projektes und der Steuerung auf ein bewohntes Bauobjekt mit der erforderlichen Anpassung und Erweiterung wird zur Zeit vorbereitet.
Als Versuchsobjekt soll eine im Niedrigenergiehaus installierte und konventionell betriebene Heizungsanlage ausgewählt werden. Zur Vertiefung der Forschung und Anwendung der Steuerung ist die Zusammenarbeit mit Bauunternehmen, Heizungsfirmen, Solaranlagenherstellern und Verbrauchern wichtig. Das Ziel dieser Aktivitäten ist dann ein umfassendes Niedrigenergiehausheizungs- und Regelungskonzept als Komplettlösung für Bauherren und Planer.
Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft gefördert unter Registrier-Nr. 763/95.
* Dipl.-Ing. Winfried Eckert, Dipl.-Ing. Jens Heidrich und Dr.-Ing. Ulrich Knopf sind Mitarbeiter im VTI Thüringer Verfahrenstechnisches Institut für Umwelt und Energie e.V.
L i t e r a t u r :
[1] Viessmann Werke GmbH & Co. Europäische Patentanmeldung 86113569.7, 1986.
[2] Pfannstiel, D.: Einsatz adaptiver und fuzzy-basierter Regelungsstrategien in der Heizungstechnik. atp, 1/95.
[3] von Altrock, C.: Fuzzy-Logic: Technologie. Band 1, Oldenbourg-Verlag, München 1993.
[4] Zimmermann, H.-J., von Altrock, C.: Fuzzy-Logic: Anwendungen. Band 2, Oldenbourg-Verlag, München, 1994.
[5] Heidrich, J.: Integration erneuerbarer Energien in ein komplexes Heizenergiesystem unter Nutzung der Fuzzy-Logic. Diplomarbeit, Friedrich-Schiller-Universität Jena, 1995.
[6] SEI system engineering GmbH Ilmenau: Benutzerhandbuch Ilmenauer Fuzzy-Tool, Version 2.0, Ilmenau 1993.
[7] Transsolar Energietechnik GmbH, Nobelstraße 15, 70569 Stuttgart: Manual PREBID für DOS - Version 2.0, 1994.
Manual PRESIM - Version 2.0, 1994.
Manual TRNSHELL Version 1.0, 1994.
Manual TRNSYS Volume I, 1994.
Manual TRNSYS Volume II - Component Description, 1994.
Manual TRNSYS Volume III - Introduction to TRNSYS, 1994.
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