Modellbasierte Regelung von Scheitholzkesseln mit Pufferspeichern

Die Verwendung von Biomasse-basierten Systemen
zur Wärmeversorgung von Gebäuden nimmt seit
mehr als zwei Dekaden stetig zu. Neben den komfortablen
vollautomatisierten Hackgut- und Pellet-
Feuerungen kommen dabei häufig Scheitholzkessel
zum Einsatz, die in Europa noch immer die am
stärksten verbreitete Form von Holz-basierten Zentralheizungssystemen
sind und in der Regel mit einem
Pufferspeicher und häufig auch einer Solaranlage
kombiniert werden.

Scheitholzkessel haben die wesentliche Einschränkung,
dass sie selbst keinen Einfluss auf die zugeführte Brennstoffmenge
sowie auch den Zeitpunkt des Nachlegens
vom Brennstoff haben. Dadurch kommt es immer
wieder zu Situationen in denen dem System mehr
Energie durch das Nachlegen zugeführt wird als
verbraucht wird bzw. noch in den Pufferspeicher übertragen
werden kann. Die dadurch erforderliche extreme
Drosselung des Abbrandes geht in der Regelung mit
großen Effizienzeinbußen, stärkerer Kesselbeanspruchung
und erhöhten Schadstoffemissionen einher.

Außerdem führt das mangelhafte Zusammenspiel der
einzelnen Komponenten auch häufig dazu, dass ein
eventuell verfügbarer Solarertrag nicht vollständig
genutzt werden kann, da der Pufferspeicher bereits zu
einem ungünstigen Zeitpunkt vom Scheitholzkessel
geladen wurde. Zusätzlich dazu wird die Qualität der
Verbrennung stark durch die Brennstoffeigenschaften
sowie die Art der Füllraumbelegung beeinflusst, womit
Fehlbedienungen des Benutzers nicht ausgeschlossen
werden können. Somit stellt die Regelung von
Scheitholzkesseln mit Pufferspeichern und ggf. einer
Solaranlage eine große Herausforderung dar.

Trotz verstärkter Bemühungen im Laufe der letzten Jahre,
sind dem Stand der Technik entsprechende Regelungen
nicht in der Lage das volle Potenzial hinsichtlich
Effizienzmaximierung, Emissionsminimierung und
Benutzerkomfort zu gewährleisten, da sie die stark
verkoppelten und zum Teil veränderlichen Zusammenhänge
der einzelnen Prozessgrößen und Anlagenteile
nur teilweise oder häufig gar nicht berücksichtigen
können.

Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist die
Entwicklung modellbasierter Regelungsstrategien
für Heizsysteme bestehend aus Scheitholzkessel,
Pufferspeicher und ggf. auch einer Solaranlage. Dazu
sollen sowohl eine übergeordnete prädiktive Systemregelung
für das Zusammenspiel von Scheitholzkessel,
Pufferspeicher und Solaranlage unter Einbeziehung
von Wärmebedarfs- und Solarertragsprognosen als
auch unterlagerte modellbasierte Regelungen für den
eigentlichen Abbrand des Holzes im Scheitholzkessel
sowie die zielgerichtete Übertragung der Wärme vom
Kessel zum Pufferspeicher bzw. den Verbrauchern
anhand eines Versuchssystems entwickelt und
experimentell validiert werden.