Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK)

Optimierte Regelung von dezentralen KWKK-Anlagen

Beim KWKK-Prüfstand wird ein Adsorptionskälteaggregat (AdKA) mit einem vorhandenen Stirling-Motor zur Demonstration der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung kombiniert. Die AdKA hat eine Nennkälteleistung von 10 kW. Die benötigte Antriebsleistung liegt dabei zwischen 15 und 25 kW. Der Stirling-Motor liefert bei 75 °C eine Abwärme von etwa 7 - 8 kW und wird daher von einem elektrischen Durchlauferhitzer untersützt. Die summierte Heizleistung deckt den Maximalbedarf der AdKA ab. Der regelbare Temperaturbereich des Heizkreises liegt zwischen 45 und 95 °C liegen. Mittels Wärmemengenzählern können COP-Kennfelder (Leistungszahlen) der AdKA für verschiedene Betriebspunkte ermitteln werden.

Schematischer Aufbau der KWKK-Anlage

Aufgrund der zyklischen Leistungsschwankungen der AdKA sind zwei Schichtleit-Pufferspeicher mit je 1 m³ Speichervolumen installiert. Neben den Pufferaufgaben können die Temperaturverteilungen im Speicher visualisiert und die Speicherverluste berechnet werden. Aufbau und Änderung der Temperaturschichtverteilung lässt sich während des Betriebs beobachten.
Ein außenstehender Trockenrückkühler ist nötigt um die bei der Adsorption und Kondensation entstehende Abwärme zwischen 24 und 40 °C abzuführen. Der Trockenkühler wird außerhalb des Gebäudes aufgestellt und mit einem Wasser-Glykol-Gemisch betrieben. Dadurch wird je eine Systemtrennung für Kühl- und Kaltwasserkreis erforderlich.

KWKK-Anlage im Labor Energietechnik

Regelstrategien und Koordinator

Neben konventionellen Regelstrategien (Zu- und Abschalten von Komponenten über Speichertemperaturen) werden optimierte Regelalgorithmen, darunter die Modellprädiktive Regelung (MPC) untersucht und angewendet. Die Erstellung der Komponentenmodelle erfolgt in der Software OpenModelica, die MPC wird in Python programmiert.

Die Anbindung an eine selbst programmierte Datenbank ermöglicht es aktuelle Preis- und Wetterprognosen zu lesen und bei der Regelung zu berücksichtigen. Im Rahmen des ACA-Modes Projektes werden die Anlage an der Hochschule Koblenz und weitere Anlagen von Projektpartnern zu einem virtuellen Verbundsystem zusammengefasst und gemeinsam von einem zentralen Koordinator kostenoptimiert betrieben.