RWTH Aachen | Urban Energy Lab 4.0

 Das Urban Energy Lab 4.0 der RWTH Aachen ist ein aus Mitteln des Landes NRW und des EFRE gefördertes Forschungsinfrastrukturprojekt zum Aufbau einer einmaligen und hoch vernetzten Infrastruktur für die Konzeption und Analyse neuer urbaner Energieversorgungskonzepte.

Abgeschlossene Abschlussarbeiten

In unserer Übersicht finden Sie Kurzzusammenfassungen der am Urban Energy Lab 4.0 erstellten studentischen Arbeiten.


Modellgestützte Auslegung eines Prüfstandes zur Bewertung von nicht halogenierten Kältemitteln in Kompressionswärmepumpen
(BA Greta Kolb)   

Schematischer Aufbau des literaturgestützt-entwickelten Kompressionswärmepumpen-Prüfstands zur detaillierten Untersuchung nicht-halogenierter Kältemittel

In der Wärmebereitstellung durch Wärmepumpen gewinnen nicht-halogenierte Kältemittel in Zukunft zunehmend an Bedeutung. Ein Grund dafür ist das Montreal-Protokoll, das den Verzicht von ozonschichtschädigenden und treibhauswirksamen Stoffen völkerrechtlich verbindlich festlegt. Außerdem beschränkt die in der EU geltende F-Gas-Verordnung den Verkauf der fluorierten Kältemittel (F-Gase) mit hohem Treibhauspotenzial bis 2030 um 79 % in Bezug auf das Referenzjahr 2015.
In Wärmepumpen werden hauptsächlich Fluorkohlenwasserstoffe als Kältemittel verwendet. Durch die künstliche Verknappung und einen daraus folgenden hohen Preisanstieg ist ein Umstieg auf alternative Kältemittel erforderlich. Daher wird im Rahmen der Untersuchung von natürlichen Kältemitteln in Arbeitsmittelkreisläufen von Wärmepumpen am Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik des E.ON Energy Research Center ein Demonstrator-Prüfstand einer Wärmepumpe mit nicht-halogenierten Kältemitteln entwickelt.
Entscheidende Rahmenbedingungen für die Auslegung des Prüfstandes sind die maximale Heizlast und das alternativ eingesetzte Kältemittel.
In Anlehnung an die deutsche Norm zur Berechnung der Norm-Heizlast DIN EN 12831 wird die maximale Heizlast eines modellhaften Einfamilienhauses bestimmt. Dabei werden die verschiedenen Dämmschutzverordnungen seit 1984 berücksichtigt. Anhand eines Simulationsmodells des Einfamilienhauses wird mit einer Abschätzung zur sicheren Seite eine maximale Heizlast von 10 kW für Gebäude mit niedrigem Dämmstandard ermittelt.
Für die Auswahl der Kältemittel werden thermodynamische Anforderungen in Kompressionswärmepumpen definiert und Kriterien für die Auswahl erstellt. Insbesondere Propan als Kältemittel der Kohlenwasserstoffe überzeugt trotz Brennbarkeit durch geeignetes thermodynamisches Verhalten.
Mithilfe der literaturgestützen Planung des Prüfstands erfolgt eine Marktrecherche zu Propan-Kompressoren. Durch die Entwicklung von Kosten-Nutzen-Abhängigkeiten werden die einzelnen Komponenten bewertet. Dabei werden kapitalgebundene, betriebsgebundene und bedarfsgebundene Kosten über die nach der VDI-Richtlinie 2067 angesetzte Nutzungsdauer einer Wärmepumpe untersucht. Eine kritische Bewertung erfolgt anhand des COPs. Der günstigste Kompressor wird schließlich mit einem konventionellen gasbetriebenen Heizkessel verglichen und die Handlungsoptionen erörtert.


Entwicklung und Implementierung einer speicherprogrammierbaren Steuerung für Wärmepumpensysteme und Aufbau eines Prüfstandes zur Untersuchung verschiedener Regelungsstrategien
(BA Matthias Mersch)

Residential heating systems are a major contributor to fossil fuel consumption and greenhouse gas emissions. The reduction of both is regarded as important target by politicians and scientists in order to tackle climate change. Heat pumps are an energy efficient alternative to conventional heating systems. However, most heat pumps do not use their full potential due to inefficient and outdated control strategies.
In commercially available heat pump systems, the control logic is implemented by a built-in controller. It also serves as safety system to prevent damage to the heat pump and its surroundings. Common controllers use conservative control strategies that do not account for the dynamics of realistic operating conditions. Therefore, the efficiency of commercial heat pumps can be significantly improved by using more sophisticated control systems.
Only few data are known from built-in controllers and their operation cannot be modified, since it is not possible to access program code. Hence, a test bench for the development and evaluation of advanced control strategies for heat pump heating systems is designed in this thesis. The central component of the test bench is a programmable logic controller, which replaces the built-in control system. It uses a modular Beckhoff platform enhancing flexibility. The system is easily adaptable, while it ensures safe operation of the heat pump. The test bench is equipped with additional sensors, so that it is capable of delivering sufficient data for comprehensive analyses of heat pump control strategies.
As a first step, the hardware components as well as the control software of an existing heat pump system are analysed. The hardware analysis focusses on the input and output signals of the components as well as their operating limits and other characteristics important for the control system. The software analysis is based on the description of the heat pump operation in the installation manual. Special attention is paid to safety measures.
Based on the analysis, a programmable logic controller is developed. Hardware components, such as input and output terminals as well as the processing unit, are selected and the control software is implemented. The main heat pump controller retrieves process data from the sensors and calculates control signals for all components. It also includes the software safety systems. The main controller provides an interface which needs to be implemented by an independent temperature control system. For this thesis, a simple temperature controller that copies the operation of the built-in controller is developed. In future, advanced control systems can easily be connected to the interface. At last, a validation of the control software is performed. All tests are successful.


Konzeptentwicklung eines Prüflabors zur dynamischen Untersuchung von Wärmepumpensystemen mit brennbaren Kältemitteln
(BA Abdul Masalkhi)
   

Im Rahmen dieser Arbeit wird am Lehrstuhl für Gebäude-und Raumklimatechnik des E.ON ERC einHardware-in-the-Loop Prüfstand entwickelt, anwelchem Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln bewertet werden können. Dabei soll Propan als Kältemittel eingesetzt werden. Als Aufstellungsort für den Prüfstand dient ein Hallenteil E.ON EBCs. Der Prüfstand besteht aus einer Klimakammer, einem Hydrauliksystem, einem Überwachungsraum und einem Lagerraum. Am Prüfstand können sowohl Wärmepumpen untersucht werden, die ihre Wärmeleistung aus der Umgebungsluft beziehen (LW), sowie solche, die ihre Wärmeleistung aus einem hydraulischen System beziehen (WW). ImBetrieb von LW-Wärmepumpen können durch die Klimakammer verschiedene Wetterbedingungen dynamisch emuliert werden.
Der Betrieb von Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln innerhalb der Versuchshalle wird dadurch ermöglicht, dass umfassende Sicherheitsvorkehrungen vorgenommen werden, die zur Sicherheit von Personen und Eigentum beitragen. Das Konzept für diesen Prüfstand beruht auf Vorgaben und Hinweisen von Normen und Technischen Regeln. Es werden verschiedene Gefährdungen durch die Arbeit mit druckgespeicherten, brennbaren Gasen aufgezeigt und Anforderungen ausformuliert, durch die ein sicheres Arbeiten ermöglicht wird.


Automatisierte Dokumentation komplexer Simulationsmodelle am Beispiel eines Expansionsventilmodells für Kältemittelkreisläufe
(BA Sven Hinrichs) 
  

Zur nachhaltigen Modellentwicklung komplexer Simulationsmodelle ist eine vollständige Dokumentation notwendig. In kurzen Entwicklungszyklen wird dieser jedoch meistens zu wenig Wichtigkeit zugetragen, wodurch die Wiederverwendbarkeit reduziert wird. Aus diesen Gründen soll im Rahmen dieser Arbeit eine Methodik zur automatischen Dokumentation von Simulationsmodellen für die Modellierungssprache Modelica erstellt werden.
Diese soll auf Basis von UML/SysML geschehen und dient zur Visualisierung der Modellstruktur und zum Herabsenken der Einstiegshürde neuer Modell-Entwickler. Die Vorteile liegen in der Entwicklung des Modellierungsprozesses und gibt dem Modellierer jederzeit einen Überblick über die derzeitige Situation des Modells. Besonders für unerfahrene Entwickler eignet sich die Darstellung für einen systematischen Einstieg in die Modellentwicklung. Zudem soll dies als Einstieg in eine automatische Modellgenerierung aus der Systemmodellierungssprache SysML dienen. Als Demonstrationsbeispiel wird das Expansionsventil eines Kältemittelkreislaufs genutzt. Anhand dessen wird auf die methodische Entwicklung der Dokumentation eingegangen.
Das Expansionsventil (EV) ist eine wichtige Komponente im Kältemittelkreislauf und dient als Steuerelement für den Massenstrom. Dieses entspannt das Kältemittel vom Hochdruck- auf ein Niederdruckniveau und führt dem Verdampfer den Massenstrom als Dampf-/ Flüssigkeitsgemisch zu. Somit hat es zwei wichtige Funktionen: Die Einstellung der Überhitzung am Verdampfer sowie dem thermodynamischen Zustand des Kältemittelmassenstromes am Kompressoreintritt, da Tröpfchenschlag am Kompressor zu vermeiden ist. Das EV ist für die Lebensdauer und dem Verschleiß der Wärmepumpe mitentscheidend.
Die Entspannung von Kältemittel im EV ist durch die Überlagerung von thermodynamischen und Strömungsmechanismen komplex. Dadurch ist eine vollständige Beschreibung schwierig. Im Rahmen dieser Arbeit soll daher in Modelica ein Simulationsmodell entwickelt werden unter der Nutzung verschiedener Grey-Box-Ansätze sowie zur Abbildung dynamischer Randbedingungen. Das Modell des Expansionsventils basiert auf der Bernoulli´schen Energiegleichung mit einem Durchflusskoeffizient als Korrekturfaktor. Außerdem wird der Drosselmechanismus und Metastabilitätskoeffizient betrachtet. Die Modellierung berücksichtigt die normativen Standards nach DIN 9126, um eine hohe Softwarequaltität sicherzustellen.
Im weiteren Verlauf der Arbeit wird eine kritische Diskussion über die interaktive Simulation von SysML-Modellen mithilfe von Modelica-Modellen ausgeführt. Sie dient als Vorarbeit für eine automatische Modellgenerierung. In diesem Ansatz soll die graphische Systemmodellierungssprache SysML Modellierungsmodelle erzeugen und in ausführbare Modelica Modelle übersetzen können.


Optimale Auslegung von Wärmepumpensystemen unter Berücksichtigung der Betriebsstrategie
(MA Hannah Krützfeldt)


Rahmenstruktur des angewandten Optimierungsproblems. Dargestellt sind die drei Teilschritte: I. Vorbereitung der Randbedingungen; II. Linearisierung des Modells; III. Anwendung mit zwei Alternativen zur Integration der Regelung.

Wärmepumpen bieten die Möglichkeit durch eine Elektrifizierung der Wärmebereitstellung auf fossile Energiequellen im Gebäudesektor zu verzichten und dadurch die direkten Kohlenstoffdioxidemissionen zu senken. Damit vermehrt Wärmepumpensysteme im Gebäudebestand installiert werden, müssen Auslegungsverfahren verbessert werden, sodass die Systeme wirtschaftlicher ausgelegt werden können. Aktuelle Studien zeigen, dass zur Verbesserung der Auslegung die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten und das Betriebsverhalten im Auslegungsprozess berücksichtigt werden sollten.
Am Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik der RWTH Aachen wird die Auslegungsverbesserung durch Simulationsstudien untersucht. Zudem werden mathematische Optimierungsrechnungen zur Dimensionierung der Systemkomponenten angewandt. Ansätze zur gleichzeitigen Optimierung von Komponentendimensionierung und geregeltem Betrieb existieren aktuell nicht.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Anwendbarkeit eines MILP-Modells zur Optimierung der Auslegung eines Wärmepumpensystems untersucht. Der Betrieb und der Einfluss einer Regelung werden bei der Dimensionierung der Komponenten berücksichtigt. Die Optimierungsrechnung wird zur Reduktion der Rechenzeit auf Basis von Typtagen durchgeführt. Um einen Vergleich mit normativen Auslegungsverfahren zu ermöglichen,werden Jahressimulationen der durch dieOptimierung ausgelegten Systeme durchgeführt.
Durch die Optimierung werden die Wärmepumpe um bis zu 50% kleiner und die Speicher bis zu sechsmal größer ausgelegt als bei einer normativen Auslegung. In Jahressimulationen sind durch die geringeren Investitionskosten die Gesamtkosten etwas niedriger als bei einer Auslegung nach Norm. Dabei sind die Betriebskosten durch eine vermehrte Nutzung des Heizstabs höher.
Die genaue Datengrundlage und damit auch dieWahl der Typtage haben einen großen Einfluss auf die Auslegung des Wärmepumpensystems. Um die Gesamtjahreseffizienz zu steigern, sollte ihre Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur bei derWahl der Typtage berücksichtigt werden.
Die Darstellung des Systems als MILP erfordert Vereinfachungen der Systembeschreibung, die zu numerischen Schwierigkeiten und teilweise physikalisch nicht interpretierbaren Ergebnissen führen. Vor allem zurUmsetzung komplizierterer Regelstrategien scheint die Formulierung als MILP nicht geeignet. Es wird daher empfohlen simulationsbasierte Optimierungsverfahren zu untersuchen, die sowohl Nichtlinearitäten als auch differentielle Systemzustände abbilden können.