Automatisierungssystem für ein Serien-Mikro-BHKW*

Motor-BHKW

Diese Komponente ist die Schnittstelle zur unterlagerten Motorsteuerung, die von intelli production und ProSign realisiert wurde. Die BHKW Komponente stellt einer­seits grundlegende Funktionen zur Verfügung, wie die Einhaltung von Min­destbetriebs- und Stillstandzeiten, den Abgastestbetrieb oder auto­ma­ti­sche Neu­­start­versuche nach einer Störung. Andererseits stellt diese Komponente dem über­ge­ord­neten Energiemanagement wesentliche Basisdaten zur Verfügung, wie z. B. die elek­tri­sche/thermische Leistung, die Anfahrdauer, die Tempe­ra­tur­gren­zen für Vorlauf und Rücklauf.

Beim Einsatz eines anderen BHKWs muss nur diese BHKW-spezifische Komponente neu geschrieben werden. Das Energiemanagement wird von der Motor-BHKW-Kom­po­nente mit den neuen Daten und Randbedingungen versorgt und kann im We­sent­lichen un­ver­ändert bleiben.

Spitzenlastkessel

Die Ansteuerung des Spitzenlast- bzw. Backupkessels kann sowohl Kessel mit interner Temperaturregelung bedienen, als auch Kessel, bei denen der Brenner von einem externen Regler angesteuert werden muss. Ähnlich der BHKW-Ansteuerung sind in diesem Model alle unterlagerten Funktionen (Regelung, Überwachung, Mindestbetriebs- und Stillstandzeiten, Abgastestbetrieb) zusammen­gefasst.

Pufferspeicher

Das Pufferspeichermodul hat die Aufgabe, den Zustand des Pufferspeichers mög­lichst genau zu ermitteln, indem

• die Wärmemenge im Speicher, die für die Verbraucher nutzbar ist und
• die Wärmemenge, die das BHKW noch im Speicher einlagern kann, bevor die maximal erlaubte Rücklauftemperatur erreicht ist, feststellt.

Eine besondere Herausforderung ist es dabei, mit möglichst wenigen Speicher­tem­pe­ra­turfühlern auszukommen. Große BHKW-Anlagen haben mindestens zehn Fühler, was bei einem Mikro-BHKW aus Kostengründen nicht realisierbar ist. Bei kleineren BHKWs werden heute zumeist drei Fühler eingesetzt. Um bestimmte Schalt­punk­te (z.B. zum Nachladestart bei Warmwasser­bedarf) verändern zu können, muss bei althergebrachten Regelungskonzepten die Montagehöhe der Fühler verändert werden. Die einmal gewählte Montagehöhe passt aber nur auf eine einzelne Be­triebs­situation. Diese Methode ist äußerst unflexibel und zudem sind jegliche Änderungen mit einem erheblichen Aufwand vor Ort verbunden.

Es entsteht also ein Zielkonflikt zwischen geringen Kosten für Fühler einerseits und hoher Flexibilität bzw. Fernwartungsfähigkeit andererseits. Als Ausweg wurde ein Konzept mit fünf Speicherfühlern kombiniert mit einer intelli­gen­ten Mess­wert­auf­be­rei­tung gewählt. Mit den Messwerten der fünf Fühler allein kann das Speichervolumen in 20 % Schritten erfasst werden. Damit der Füllstandswert beim Be- und Entladen des Speichers nicht in diesen großen Schritten springt, wurde zusätzlich eine Inter­po­la­tion zwischen den einzelnen Stufen eingeführt. Diese Interpolation basiert auf dem Leistungssaldo aus Erzeugung und Verbrauch und sorgt für einen glatten Verlauf des Messwertes, so dass die Schaltpunkte zum Start und Stopp von BHKW bzw. Kessel unabhängig von der Montageposition der Fühler gewählt werden können.

Erst dadurch ist ein Energiemanagement möglich, das die Schaltpunkte verändern und dem tatsächlichen Bedarf der Verbraucher anpassen kann.

Energiemanagementkomponente

Der Energiemanager kann BHKW und Kessel in einer von vier Betriebsarten fahren:

• BHKW aus: Der Kessel übernimmt die Versorgung.
• BHKW wärmegeführt: Das BHKW übernimmt den größtmöglichen Anteil des Wärmebedarfs.
• BHKW wärmegeführt mit Stromvorrang: Das BHKW wird wärmegeführt ge­fahren, dabei wird der Speicher aber nie zu 100 % aufgeheizt. Die verblei­ben­de Reserve wird dazu genutzt, das BHKW zeitweise stromgeführt zu be­treiben, auch wenn der Wärmebedarf gerade niedrig ist.
• BHKW stromgeführt: Der BHKW-Betrieb wird nur nach dem Strombedarf ausgerichtet, so lange der Speicher nicht die Maximaltemperatur erreicht hat.

Der Kessel deckt immer die Differenz zwischen der Wärmeleistung des BHKWs und dem Wärmebedarf der Verbraucher. Bei einer Störung des BHKWs wird automatisch auf den Kessel als Wärmequelle umgeschaltet.

Eine wichtige Funktion des Energiemanagers ist die zeitliche Koordination von Er­zeu­gern und Verbrauchern. Die Regelungen der Heizkreise und der Warm­wasser­be­reitung melden an das Energiemanagement Schätzwerte darüber, wie viel Wärme sie wann benötigen. Der Energiemanager reiht nun die Betriebszeiten der Verbraucher zeitlich so hintereinander auf, dass nach Möglichkeit die Leistung des BHKW zur Versorgung ausreicht und der Spitzenlastkessel nicht in Anspruch genommen werden muss. Dazu werden ggf. Aufheizvorgänge des Gebäudes und des Warmwasserspeichers zeitlich gestreckt und die Speicherfähigkeit des Puffer­speichers, des Warmwasserspeichers und der Gebäudemasse ausgenutzt.

Die Schaltpunkte zum Start und Stopp des BHKWs sind abhängig vom Speicherfüllstand und werden stets so gewählt, dass die von den Verbrauchern benötigte Wärmereserve im Speicher bleibt und dass andererseits ein möglichst großes Volumen des Speichers zur Laufzeitverlängerung des BHKWs ausgenutzt werden kann.

Ansteuerung Heizkreis

Die Heizkreisautomation enthält nicht nur die klassische Heizkurve mit gedämpfter Außentemperatur und eine Zeituhr für die Betriebszeiten. Diese Softwarekomponen­te ist auf das Zusammenspiel mit dem Energiemanagement ausgelegt und handelt mit dem Energiemanager die Zuteilung von Heizwärme aus.

Mit einem thermischen Gebäudemodell berücksichtigt die Heiz­kreis­automation das thermische Verhalten des Gebäudes. Das Modell berück­sich­tigt die Wärmeverluste durch Wand und Fenster sowie die Wärmespeicherung in der Gebäudemasse und in den Heizflächen. Mit Hilfe des Modells kann der dynamische Wärmebedarf des Ge­bäu­des berechnet werden, der anders als eine statische Heiz­kur­ve auch den Zu­satz­be­darf zum morgendlichen Aufheizen oder nach einer Warm­was­ser- Vorrangladung berück­sichtigt.

Das Gebäudemodell übermittelt an das Ener­gie­management, wie viel Leistung in welchem Zeitraum benötigt wird. Daraus wird die Pufferspeicherreserve be­rechnet, die notwendig ist, um Leistungsspitzen möglichst ohne den Einsatz des Spitzen­last­kes­sels zu über­brücken. Vom Energiemanagement kommt eine Leistungszuteilung zurück, die die Obergrenze der Heizleistung bestimmt.

Besonders wichtig ist eine einfache Inbetriebnahme und Parametrierung des Heiz­krei­ses. Komplizierte Regelungen mit vielen, intransparenten Parametern werden von den Installateuren erfahrungsgemäß gar nicht parametriert, sondern in den Werks­einstellungen belassen. Das hat zur Folge, dass in der Praxis bei vielen An­la­gen Komfort und Wirtschaftlichkeit zu wünschen übrig lassen.

Damit bei dem recht komplexen Gebäudemodell solche Probleme nicht entstehen, wurde die Parametrierung radikal vereinfacht. Der Installateur muss lediglich einige leicht zu ermittelnde Anlagendaten im Inbetriebnahmemenü eintragen. Die wich­tigs­ten Parameter sind:

• der Typ der Heizflächen (Auswahl aus Radiator, Konvektor, Fuß­boden),
• die Aus­le­gungstempe­raturen, die Aus­le­gungs­heizleistung,
• die Art des Gebäudes (u.a. Wohn­haus, Gewerbegebäude mit Hallenanteil, große Zweckgebäude) und
• der Dämm­stan­dard (u.a. Altbau, Wärmeschutzverordnung, Passivhaus).

Es ist nicht erfor­der­lich, abstrakte Zahlenwerte wie beispielsweise Gebäudezeit­kons­tan­ten aus­zu­rech­nen.

Ansteuerung Warmwasserbereitung

Die Softwarekomponente zur Warmwasserbereitung kann die in der Praxis am häufigsten vertretenen Systeme ansteuern:

• Kombispeicher, d.h. eine im Pufferspeicher integrierte Trinkwasserblase.
• Trinkwasserspeicher mit eingebauten Ladewärmetauscher
• Frischwasserstation, bei der das Trinkwasser mit einem Wärmetauscher nach dem Durchlaufprinzip erwärmt wird.

Außerdem enthält die Komponente wichtige Nebenfunktionen wie z.B. die Ansteuerung einer Zirku­la­tions­pumpe, Frostschutzfunktionen und eine thermische Desinfektion. In Richtung des übergeordneten Energiemanagements besteht die Haupt­­aufgabe der Warmwasser- Komponente darin, genügend Wärmeinhalt im Puffer­­speicher anzufor­dern, damit der Warmwasserkomfort zu den gewünschten Uhr­zeiten gewährleistet ist.

Auch hier liegt das Augenmerk auf einer möglichst einfachen und für den Benutzer transparenten Parametrierung. Der Installateur muss nicht etwa Puffer­speicher­tem­pe­ra­turen, ab denen eine Nachladung erfolgt, parametrieren, oder gar die Monta­ge­höhe von Speicherfühlern ändern. Nachdem die Art und das Volumen des Wasser­berei­ters aus einem Katalog ausgewählt wurden, wird als zentraler Parameter die ge­wünschte Leistungszahl NL der Anlage angegeben. Die Leistungszahl NL gemäß DIN4708 entspricht grob gesagt der Anzahl der durchschnittlich ausgestatteten Wohnungen, die von der Anlage versorgt werden können. Der notwendige Wärme­vor­rat im Pufferspeicher und die Schaltpunkte für den Start des BHKWs werden auto­ma­tisch aus NL berechnet.

Der Weg zum maßgeschneiderten Energiemanagementsystem

Jedes Mikro-BHKW, das neu auf den Markt kommt, ist einzigartig und benötigt eine darauf zugeschnittene Energiemanagementsoftware. Die vorgestellten Einzelkompo­nen­ten decken bereits ein weites Anwendungsfeld ab und können sich allein durch passende Parametrierung an viele unterschiedliche Größen von KWK-Anlagen, Speichern und Heizkreisen anpassen. Dennoch ist immer eine kundenspezifische Implementierung erforderlich, die hier kurz skizziert werden soll.

Konfiguration des Systems

Zunächst wird die Systemarchitektur der Energiemanagementapplikation den Erforder­nis­sen ent­spre­chend entwickelt. Beispielsweise wird die Art und maximale Anzahl der Energieerzeuger bzw. Verbraucher festgelegt. Gegebenenfalls wird die Applikation auf mehrere Steuerungen aufgeteilt, das ist z.B. bei kaskadierten BHKW sinnvoll, oder wenn BHKW und Heizungsregler als getrennte Geräte vermarktet werden sollen.

Programmierung von kundenspezifischen Erweiterungen

Nachdem das Grundgerüst steht, wird die Applikation mit den Softwarekomponenten vervollständigt, die auf das spezifische Produkt zugeschnitten sind. Dazu gehören beispielsweise das Interface zur Motorsteuerung, oder Sonderfunktionen, die das Produkt von Mitbewerbern unterscheiden.

Die größte und wichtigste Aufgabe in dieser Projektphase ist jedoch die gemeinsame Entwicklung einer Bedienoberfläche für die BHKW-Automation. Die Imhotep Platt­form verfügt über eine grafische Benutzeroberfläche mit Touchscreen zur Bedienung. Die Gestaltung der Oberfläche hat nicht nur eine große Bedeutung für die Ergonomie und damit für die Akzeptanz beim Kunden. Das Design und die Bedienphilosophie sind auch Schlüsselelemente zur Prägung eine Marke und werden daher immer kundenspezifisch im engen Dialog entwickelt.

Simulationstest

Die thermischen Prozesse in einem Hausenergiesystem wie z.B. die Aufheizung der Gebäudemasse haben Zeitkonstanten im Bereich von Stunden bis hin zu einigen Tagen. Es wäre sehr zeitraubend und teuer, die Erstinbetriebnahme und das Debug­ging der Software direkt am "lebenden Objekt" vorzunehmen. Um hier produktiver arbeiten zu können, steht eine Simulationsumgebung zur Verfügung, die das ther­mi­sche Verhalten aller Komponenten nachbildet. Sowohl die Energiemanage­ment­soft­ware als auch die Simulationsumgebung sind so ausgelegt, dass das Gesamtsystem im „Zeitraffer-Modus“ stark beschleunigt simuliert werden kann. Auf diese Weise sind in kürzester Zeit ein Debugging und eine sinnvolle Vorbelegung aller Parameter möglich, noch bevor die Software zum ersten Mal auf der Zielhardware läuft.

Test und Parameteroptimierung am Anlagenprüfstand

Ein Hausenergiesystem muss stets als Ganzes auf einem Prüfstand erprobt werden, bevor es das erste Mal in einer Kundenanlage eingesetzt wird. Ein reiner Mo­to­ren­prüf­stand, bei dem nur die Funktion des eigentlichen BHKW betrachtet wird, ist nicht aus­reichend. Um die Leistungsfähigkeit des Gesamt­systems zu beurteilen, muss zusätzlich zum eigentlichen BHKW auch das Zusammenspiel mit Spitzenlastkessel, Speicher, Ver­braucher und Steuerung betrachtet werden.

Die Leis­tungs­­daten und der Nutzungsgrad (der nicht nur die Verluste im BHKW, sondern auch die Speicher­verluste umfasst) müssen am Prüfstand unter definierten Bedingungen gemessen werden, um die Förderfähigkeit eines BHKW nach KWK-Gesetz (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz) zu erreichen.

Ein weiterer Grund, ausreichend viele Prüfstandversuche durchzuführen, ist die Verifizierung der Leistungsdaten, die dem Kunden zugesichert werden. Auf dem Prüf­stand kann beispielsweise gezielt ein Warmwasser-Normzapfprofil nach DIN4708 bei gleichzeitigem Heizwärmebedarf eines Auslegungs-Wintertages nachgefahren werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Wärmever­sor­gung immer gewährleistet ist. Mit realistischen Warmwasser-Zapfprofilen und Heiz­last­­gängen können andererseits Abschätzungen zur Wirtschaftlichkeit gemacht wer­den und es können die Auswirkungen von Optimierungen der Anlage abgeschätzt werden.

ProSign und das Ingenieurbüro Stephan Widera bieten alle Leistungen an, die nötig sind, um ein Hausenergiesystem im Labor zu erproben:

• Entwicklung kundenspezifischer Hydraulikkonzepte für einen Prüfstand
• Planung der kompletten Prüfstandautomation inklusive Schaltschrankbau
• Erstellung einer individuellen Prüfstandsoftware, die das thermische und hy­drau­lische Verhalten des Gebäude nachbildet (Heizkreise/Warm­was­ser­ver­brauch) und alle Messdaten aufzeichnet.
• Erstellung Lastgängen, mit denen definierte Lastszenarien für Heizung und Warmwasser abgefahren werden.
• Erstellung eines Prüfplans, Analyse der Messergebnisse und Ableitung von Handlungsempfehlungen für die Optimierung des Systems.

Feldtestbegleitung

Die nächste Phase der Markteinführung nach der Laborerprobung ist in der Regel die Feldtesterprobung bei Pilotkunden. Ein erfolgreicher Feldtest beginnt mit der Aus­wahl passender Feldtestobjekte. Die Objekte sollten das geplante Einsatz­spek­trum des Hausenergiesystems möglichst weit abdecken, andererseits sollte die An­zahl überschaubar bleiben, um alle Anlagen betreuen zu können. Neben der Art des Feldtestobjektes (Größe, Gebäudetyp, Nutzung, Heizsystem, usw.) spielen bei der Aus­wahl weitere Faktoren eine Rolle. Dazu gehört z. B. die Erreichbarkeit und Zu­gäng­lichkeit für Servicekräfte, die Kommunikationsanbindung oder die strategische Bedeutung des Kunden.

Während des Feldtests und auch im Serienprodukt werden alle Messdaten, Stör­mel­dun­gen und Diagnosedaten in einer SQL-Datenbank auf der Imhotep Steuerung abgelegt. Über eine verschlüsselte Internetverbindung kann sowohl auf das iCon-L Programm als auch auf die Messdaten zugegriffen werden. Außerdem ist eine Fernbedienung und Fernparametrierung der Anlage durch Servicekräfte möglich.

Die Ausstattung der Objekte mit Zusatzmesstechnik ist ein weiterer Punkt, der sorg­fältig geplant werden muss. Um beispielsweise eine Energiebilanz zu erstellen, müssen die Wärmemengen in der Anlage gemessen werden. Aus Kostengründen fehlen die nötigen Sensoren in den Seriengeräten meist, daher ist in Feldtestobjekten der Einbau zusätzlicher Sensoren sinnvoll. Diese können über eine Busverbindung an die Steuerung angeschlossen werden, sodass die Daten der Zusatzmesstechnik zu­sammen mit den Betriebsdaten des BHKWs in der Messdatenbank abgelegt wer­den.

Die Auswertung der gewonnenen Daten nach erfolgsreichem Feldtest ist der nächs­te, entscheidende Schritt. Die Energiemana­ge­mentkomponenten erzeugen de­tail­lier­­te Diagnosedaten, womit das Verhalten der Anlage über Monate hinweg sehr ge­nau rekonstruierbar ist. Daraus lassen sich eine Reihe wichtiger Erkenntnisse ge­win­nen, die in die Weiterentwicklung des Produktes zur Serienreife einfließen:

• Nutzungsgrade, Verluste und Verlustursachen unter realen Einsatzbedingun­gen
• Eignung bestimmter Anlagenkomponenten (z. B. Speicher verschiedener Größe und Bauart) für den Einsatz im Hausenergiesystem
• statistische Daten zu realen Belastung des BHKWs, z. B. zur Anzahl der erreichten Start/Stopp-Zyklen und Betriebszeiten.
• Rückmeldungen der Benutzer zur Anlage (z. B. empfundener Komfort) und zur Bedienbarkeit der Steuerung.

Alle Phasen des hier skizzierten Feldtestszenarios kann das Ingenieurbüro Stephan Widera auf Wunsch beratend und unterstützend begleiten.