Moderne Regelungsansätze für Solarsysteme mit integrierter Wärmepumpe zur Gebäudeheizung

Solar-Wärmepumpen-Systeme stellen die Kombination einer Solaranlage und einem Wärmepumpenheizsystem dar. Es wird ein System näher untersucht, welches im Wesentlichen aus speziell angepassten Solarkollektoren, einer Sole-Wasser-Wärmepumpe, einem Eis- und einem Kombispeicher besteht. Die Brauchwarmwassererzeugung erfolgt durch einen innenliegenden Wärmeübertrager im Kombispeicher, weiter wird der Speicher genutzt, um Solarwärme für Heizung und Warmwasser zu speichern. Die Kollektoren sind weiter die Wärmequelle der Wärmepumpe und können hierfür neben der Solareinstrahlung bei Bedarf auch Energie aus der Außenluft gewinnen. Zur Speicherung von Solarwärme kommt hier ein Eisspeicher zum Einsatz. In der Arbeit wird ein detailliertes Simulationsmodell des skizzierten Systems vorgestellt.

Ein häufiges Problem von Wärmepumpenheizungen in der Praxis sind oftmals höher als nötig realisierte Vorlauftemperaturen der Wärmeübergabe im Gebäude. Aus diesem Grund wird in der Arbeit die Führungsraumregelung für das oben skizzierte System zur automatisierten Sicherstellung bedarfsgerechter Vorlauftemperaturen der Wärmeübergabe im Gebäude untersucht. Neben einem einfachen PI-Regler werden auch zwei modellbasierte Regler (LQ-Regler und modellbasierter prädiktiver Regler) untersucht.

Bei den in die Kollektoren integrierten Lüftern und der Umwälzpumpe des Verdampferkreises des untersuchten Systems handelt es sich um zwei Komponenten, die sich sowohl gegenseitig, als auch die Betriebspunkte der Wärmepumpe und der Kollektoren und damit deren Effizienz beeinflussen. Zur Effizienzverbesserung wird eine Arbeitspunktoptimierung der Lüfter und der Umwälzpumpe vorgenommen, bei der die wesentlichen Wechselwirkungen aller Komponenten des gesamten Kreislaufes untereinander berücksichtigt werden.