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Solar Cooling with Absorption Chillers: Control Strategies and Transient Chiller Perfomance
Kohlenbach, Paul
In der vorliegenden Dissertation werden neueste Erkenntnisse und Methoden zur Regelung solarer Kühlsysteme mit Absorptionskälteanlagen vorgestellt. Schwerpunkte werden dabei auf die Untersuchung von Regelungsvarianten für den solarthermischen Teil eines solchen Systems sowie die Ermittlung des transienten Übertragungsverhaltens der Absorptionskälteanlage mit dem Ziel der Entwicklung einer Kaltwasserregelung gelegt. Die Arbeit kann in zwei hauptsächliche Teile aufgeteilt werden. Im ersten Teil wird zunächst ein allgemeiner Stand der Technik zu Regelstrategien für die Systemkreise von Heiss-, Kühl- und Kaltwasser vorgestellt. Die Einbindung eines Heisswasserspeichers wird diskutiert hinsichtlich der Wahl der Speicherreferenzschicht für eine Temperaturdifferenzregelung. Weiterhin werden vertiefende Untersuchungen zu Regelstrategien des Solarkreises präsentiert. Ziel dabei ist, eine möglichst stromsparende und gleichzeitig thermisch ergiebige Regelstrategie zu finden. Zu diesem Zwecke werden drei verschiedene Varianten einer Massenstromregelung des Wärmeträgers im Solarkreis verglichen. Diese beinhalten eine Konstantmassenstromregelung sowie zwei variable Massenstromregelungen, abhängig von Temperaturdifferenz bzw. solarer Einstrahlung. Alle drei Regelvarianten werden sowohl experimentell als auch mittels TRNSYS-Simulationen getestet und verglichen. Im simulierten Vergleich liefert die einstrahlungsgeführte Massenstromregelung eine um 6% größere Arbeitszahl als die beiden anderen Strategien. Aus den experimentellen Ergebnissen läßt sich eine solch klare Tendenz jedoch nicht ablesen. Aufgrund eines relativ hohen Meßfehlers sowie verschiedener anderer Einflüsse liegen die sich experimentell ergebenden Unterschiede zwischen den Strategien im Bereich des Fehlerbalkens. Als Konsequenz werden in dieser Arbeit Verbesserungen der experimentellen Methodik abgeleitet und diskutiert. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Absorptionskälteanlage als Hauptkomponente eines solaren Kühlsystems hinsichtlich ihres thermischen Übertragungsverhaltens untersucht. Hauptziel dabei ist die Bestimmung der anlagenbedingten Abhängigkeit der Kaltwasseraustrittstemperatur von der Heisswassereintrittstemperatur, ausgedrückt durch die Übertragungsfunktion. Es werden zwei verschiedene Methoden zur Bestimmung der Übertragungsfunktion für eine Kaltwassertemperaturregelung angewendet: eine experimentelle Identifikation sowie eine theoretische Simulation. Die experimentelle Methode beinhaltet die Ermittlung der Übertragungsfunktion aus Messdaten der Kälteanlage. Dabei werden einzelne Übertragungsfunktionen für alle in die Regelung involvierten Komponenten ermittelt und in einer Gesamtübertragungsfunktion zusammengefasst. Mit dieser wurde für das vorgestellte System eine Kaltwasserregelung entwickelt und erfolgreich getestet. Nachteil der experimentellen Methode ist ihr eingeschränkter Anwendungsbereich durch die Festlegung auf bestimmte Parameter. Dieses Manko kann durch eine theoretische Simulation behoben werden. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein theoretisches Modell einer LiBr/Wasser Absorptionskälteanlage vorgestellt, welches das transiente Verhalten einer solchen Anlage abbildet. Dazu wurden Wärme- und Massenspeicher sowie zeitliche Verzögerungsglieder in die Energie- und Stoffbilanzen der Kälteanlage integriert und das Modell auf allgemeine Funktionalität und einwandfreie Wiedergabe der internen Prozesse getestet. Dabei wurde der Schwerpunkt auf korrektes dynamisches Verhalten gelegt, stationäre Übereinstimmung war nur sekundäres Ziel der Arbeit. Das Modell wurde mittels experimentellen Daten getestet und eine sehr gute dynamische Übereinstimmung zwischen Simulation und Realität festgestellt. Maximale zeitliche Verschiebungen zwischen gemessenen und simulierten Daten von 25 s wurden ermittelt. Verglichen mit der Gesamtzeit zum Erreichen eines stationären Zustandes liegt diese Verschiebung in der Größenordnung von 2% und kann vernachlässigt werden. Das vorgestellte Modell bildet die 10 kW Absorptionskälteanlage der Phönix SonnenWärme AG ab, kann aber problemlos an andere Kälteanlagen angepasst werden. Es kann zum einen zur Bestimmung der Übertragungsfunktion und somit zur Entwicklung von Reglern verwendet werden, bietet zum anderen aber auch die Möglichkeit, konstruktive Veränderungen an bestehenden Kälteanlagen ohne großen apparativen Aufwand zu testen. Dies gilt auch für die Neuentwicklung von Absorptionskälteanlagen. Insbesondere für transiente Simulationen von solaren Kühlsystemen bietet das entwickelte dynamische Modell eine interessante Alternative. Die stark instationäre Betriebscharakteristik von solaren Kühlsystemen kann durch die Verwendung des dynamischen Modells wesentlich besser reproduziert werden als durch die bisher verwendeten stationären Modelle.
This thesis reports on improvements of the state of the art in controlling solar cooling systems with absorption chillers. In this context, two main approaches are being presented. In the first approach, control strategies for the system circuits are being presented and discussed. Various possibilities of temperature and mass flow control for the external circuits of hot, cooling and chilled water are being described in this thesis in a state of the art overview. Guidelines for the incorporation of the storage tank in the system control are being given with regard to reference layer and hysteresis temperature. The solar circuit as the most complex circuit is being investigated deeper. A differential, a temperature-based and an insolation-based mass flow control strategy for the heat carrier fluid in this circuit are being tested in TRNSYS simulations and experiments with regard to the overall system performance. There, the focus of attention are the key figures of cooling capacity and power consumption which are being integrated and combined in a daily yield factor. The yield factor is being used for the comparison of the individual strategies in simulation and experiment. The ambition is to find the strategy with the lowest power consumption and simultaneously biggest cooling effect. In the comparison of simulation and experiment, good agreement has been found for both the dynamic course of the variables as well as the integrated energy balance expressed in the yield factor. From the simulations, the insolation-based strategy (INSOL) has been found to perform best at cloudless conditions regarding the yield factor. An improvement of 6% in the yield factor for the insolation-based strategy compared to the other strategies has been found in simulations. From the experimental comparison of the dynamic behaviour, the temperature-difference based control strategy (TDIFF) has been found to yield the best performance. However, from the experimental comparison of the integrated energy balances for all three control strategies a clear tendency towards one strategy cannot be seen. Several improvements on the experimental methodology have been derived from this result. The second approach describes investigations on the main system component, the absorption chiller. Two different methods of determining the thermal transfer behaviour are being presented, an experimental identification and a theoretical simulation method. For both methods, the transfer function between hot water input and chilled water output is being determined as necessary for a chilled water temperature control. Using the experimental method, transfer functions for the three-way valve in the hot water circuit and the absorption chiller have been determined using the system identification method of Ljung. With the combined transfer functions of valve and chiller a chilled water temperature controller has been designed and successfully tested on a solar cooling system. The theoretical simulation method includes the development of a mathematical model of the transient internal heat and mass transfer of the chiller. A dynamic simulation model with transient behaviour implemented via thermal and mass storage terms as well as delay times is being presented in this thesis. General functionality and internal consistency of the model have been demonstrated and the thermodynamic calculations of the model have been found to reproduce the real chiller with sufficient accuracy. The focus of attention has been laid on the dynamic model performance. Using experimental data for verification, it has been proven that dynamic effects are being accounted for in a very satisfying way. Maximum dynamic deviations between vessel temperatures in simulation and reality are in the magnitude of approximately 2%. The model developed in this thesis has been designed for the Phönix 10 kW absorption chiller but can easily be adapted to other LiBr/water absorption chillers. It can be used for the development of a temperature control strategy or as a useful tool in the overall design process of absorption chillers. This thesis work extends the knowledge-base on control strategies of solar cooling systems using absorption chillers. A foundation for energy-saving operation of such systems has been laid by the research on solar circuit control and further research paths towards this goal have been paved. A helpful tool for controller design and general performance analysis of absorption chillers has been made available with the dynamic model presented. The model is a significant improvement of present steady-state simulations of absorption chillers.
