Active thermal management for residential air source heat pump systems

Chen, Kan; Monti, Antonello; Müller, Dirk

doi:35450

Active thermal management for residential air source heat pump systems = Aktives Thermomanagement für Luft-Wasser-Wärmepumpensysteme in Wohngebäude

Chen, Kan

2016

VerantwortlichkeitsangabeKan Chen

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center 2016

UmfangXIX, 137 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-942789-34-9

ReiheE.On Energy Research Center : EBC, Energy Efficient Buildings and Indoor Climate ; 35

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Müller, Dirk (Thesis advisor)^RWTH* ; Monti, Antonello (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-01-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-019730
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/571311/files/571311.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/571311/files/571311.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; air source heat pump (frei) ; model predictive control (frei) ; demand response (frei) ; hardware-in-the-loop (frei) ; smart grid (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Durch seinen hohen Anteil am Endenergieverbrauch gehört das Hausenergiesystem in Europa zu einem der Kernelemente des zukünftigen Energiesystems. Die laufenden Entwicklungen für das intelligente Haus von morgen führen zu neuen Anwendungen, die im Zuge eines steigenden Anteils erneuerbarer Energien im Stromnetz an Bedeutung gewinnen. Dazu zählen die „Demand-Response“- und die „Demand Side Management“-Technik. Durch ein geschicktes Lastmanagement können mit diesen Verfahren potentielle Versorgungsengpässe durch die volatile Einspeisung erneuerbarer Energien zum Teil oder vollständig kompensiert werden. Diese Flexibilität kann auchfür die Betriebsführung der hausinternen Energiewandler eingesetzt werden. Eine optimierte Betriebsstrategie des Hausenergiesystems führt sowohl zu einer besseren Nutzung lokal erzeugterals auch extern generierter regenerativer Energien. Damit können CO2-Emissionen und Betriebskosten reduziert werden. Die eingesetzten Verfahren dürfen allerdings nicht den thermischen Komfort der Nutzer verschlechtern. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe ist ein Wärmeerzeuger, der durch die Nutzung der Umweltwärme als ein zukunftsfähiges Versorgungssystem für Wohngebäude angesehen werden kann. Dieser Typ Wärmepumpe hat im Bereich der Einfamilienhäuser die höchsten Zuwachsraten im europäischen Wirtschaftsraum, da die Auslegung, die Installation und die Inbetriebnahme einfach durchzuführen sind. Da Strom als Energieträger eingesetzt wird, sind die Möglichkeiten der intelligenten Stromnetze der Zukunft für diese Energiewandler sehr bedeutsam. In dieser Arbeit werden aktive Laststeuerungsstrategien für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe untersucht, in einen Algorithmus umgesetzt und anhand von Testtagen in einem Hardware-in-the-Loop Prüfstand bewertet. In Kapitel 1werden der Stand der Technik und die Entwicklungstendenzen im Bereich der Hausenergiesysteme vorgestellt. Auf Basis einer Anforderungsanalyse und dem Stand der Technik wird ein Lösungsansatz von der Konzipierung bis zur Validierung des aktiven Hausenergie-Management-Systems in Kapitel 2 hergeleitet. Die zu nutzende Hardwareplattform, die aus einer modernen Luft-Wasser-Wärmepumpe und einem Trinkwarmwasserspeicher besteht, wird, in Verbindung mit einem typischen Einfamilienhaus, detailliert in Kapitel 3 beschrieben. Für dieses Gesamtsystem werden die Ideen und die technischen Implementierungen für ein aktives Energiemanagement in Kapitel 4 und 5 dargestellt. Dabei werden adaptive Verfahren für die Modellierung der Systemkomponenten eingesetzt, so dass eine hohe Vorhersagegenauigkeit des Systemverhaltens für eine modellprädiktive Regelung der Wärmepumpe erreicht werden kann. Ein wesentlicher Teil dieser Arbeit ist die Entwicklung des genutzten Hardware-in-the-Loop-Prüfverfahrens (HiL) für die Luft-Wasser-Wärmepumpen. Mit diesem Verfahren kann die Leistungsfähigkeit eines wärmeerzeugenden Systems unter dynamischen und realitätsnahen Randbedingungen im Labor bewertet werden. Der Aufbau und das Funktionsprinzip der HiL-Plattform werden in Kapitel 6 vorgestellt. Bei dieser Plattform handelt es sich um ein multi-physikalisches Emulationssystem, welches die Einbindung unterschiedlicher Komponenten und Regler auf der hydraulischen und Signalebene erlaubt. Die quantitative Bewertung des aktiven Hausenergie-Management-Systems wird in Kapitel 7 dargestellt. Es zeigt sich, dass mit dem neuen Verfahren eine sinnvolle Steuerung für den Betrieb einer Luft-Wasser-Wärmepumpe entwickelt werden konnte, welche die Anforderungen einer Demand-Response-Technik erfüllt ohne den thermischen Komforts des Nutzers einzuschränken.

As the future melting pot of different forms of energy, home energy system is one of the key enablersto the smart grid technology. The development of such kind of smart home technologies with focus on demand response has gained interest in order to exploit potential demand and supply flexibility of decentralized energy systems. This flexibility could be used to support the optimized operation of the renewable home energy systems, which may have volatile power output depending on fluctuating environmental conditions. An optimized demand response strategy leads directly to the reduction of carbon emission, energy cost saving as well as thermal comfort improvement. As one representative type of the renewable home energy systems, the air source heat pump has a considerable penetration rate on the electrical grid of residential quarters due to its low commissioning expenditure, high installation flexibility and better access possibility to the smart grid. Thus, the research and development of the active thermal management strategy based on residential air source heat pump system with respect to the evolving demand response technologies is selected as the focus of this dissertation. In Chapter 1, the developing trend of home energy systems and some basic demand response backgrounds are introduced. The drawbacks and difficulties of the existing home energy management system are argued while being merged into the future smart grid framework. Based on the requirement analysis and the state-of-the-art technologies, the solution approach from conception to validation of the active management strategy is proposed in Chapter 2. The target system to be investigated, comprising a typical air source heat pump system with a domestic hot water storage tank and a single-family house, are described in Chapter 3. The idea and technical implementation of the proposed solution are depicted in Chapter 4 and 5, including the self-adaptive system modeling approach, the predictive modulation solver for the electrical compressor as well as the demand-actuated domestic hot water tank management strategy. As another highlight of this dissertation, the Hardware-in-the-Loop test approach for home energy systems is developed in order to test, validate and evaluate the implemented control prototype under realistic operation conditions. In Chapter 6, the function principle and the composition of the Hardware-in-the-Loop test platform are introduced, including the multiphysical emulation system, the infrastructural design on signal level as well as the interfacing and integration of the software components. Following the proposed dynamic test approach, the developed prototype of the home energy management system is quantitatively evaluated by various assessment criteria under different realistic test scenarios in comparison to several existing commercialized solutions, which are explicitly analyzed in Chapter 7.

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