Projekt 14291/01

Funktionskontrolle bei kleinen thermischen Solaranlagen ohne Wärmemengenerfassung

Projektdurchführung

Hochschule für Technik und Wirtschaft des SaarlandesINFA - Solar, TZSB
Goebenstr. 40
66117 Saarbrücken

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Aufgrund vielfältiger Erfahrungen und verschiedener Untersuchungen an solarthermischen Brauchwasserbereitungsanlagen zeigte sich, daß noch eine Reihe von Anlagen Funktionsstörungen aufweisen, die zu reduzierten Solarerträgen führen. Aus diesem Grund wurde die Zielsetzung vergeben, eine Funktionskontrolle für kleine thermische Solaranlagen zu entwickelt. Zum einen werden dadurch die Solarerträge erhöht und zum anderen wird die Akzeptanz des Nutzers bzw. der potentiellen Nutzer weiter erhöht, was zu einer weiteren Verbreitung von kleinen thermischen Solaranlagen führt. Dadurch werden die CO2-Emissionen weiter verringert.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Entwicklung der Funktionskontrolle wurde eine FMEA (Fehler-Möglichkeits- und Einfluß-Analyse) durchgeführt. Die Ergebnisse dieser FMEA flossen in ein Pflichtenheft ein, in dem die zu untersuchenden Fehler und die jeweils benötigten Sensoren aufgelistet wurden. Anschließend wurden die Fehler eingehend untersucht und sogenannte Fehlererkennungsalgorithmen entwickelt, welche mit Simulationsprogrammen (TRNSYS) überprüft und angepaßt wurden. Die verifizierten Algorithmen wurden dann in höhere Programmiersprachen umgewandelt, um mittels PC eine komplette Regelung einschließlich Funktionskontrolle emulieren zu können. Die Funktionskontrolle wurde dann im Labor soweit wie möglich einem Praxistest unterzogen und somit auf ihre Tauglichkeit überprüft und soweit erforderlich verifiziert und ggf. modifiziert. Nach dieser Phase wurden die Funktionskontrollalgorithmen beispielhaft in Prototyp-Mikroprozessoren umgesetzt und in den vorhandenen Reglern der Kooperationspartner implementiert. Diese Prototypregler wurden sowohl im Labor auf ihre Tauglichkeit überprüft als auch von den Kooperationspartnern vor Ort (evtl. mit unterschiedlichen Anlagenschemata) getestet.

Parallel dazu wurde die Volumenstrommessung der Fa. esaa durch Messung auf ihre Brauchbarkeit sowohl für die Funktionskontrolle als auch für die Wärmemengenmessung überprüft und verifiziert.


Ergebnisse und Diskussion

Nach einer umfangreichen Fehleranalyse entstand ein umfassender Fehlerbaum einer Solaranlage mit über 50 möglichen Einzelfehlern. Dieser Fehlerbaum wurde in Anlehnung an DIN 25424 erstellt. Die Einzelfehler wurden in einer Fehler-Möglichkeits- und Einfluß-Analyse nach verschiedenen Kriterien bewertet, so daß danach noch 21 als wichtig befundene und weiter zu untersuchende Fehler vorlagen. Diese Fehler wurden theoretisch wie auch experimentell bzgl. möglicher Algorithmen zur Fehlererkennung untersucht. Hieraus ergaben sich folgende Algorithmen:
Auszug aus Ursachen-Auswirkungs-Zuordnung für Fehler an der Solaranlage

Fehlerbeschreibung resultierende Auswirkung möglicher Algorithmus0
Ø Kollektoranschlüsse vertauscht Pumpe taktet Pumpenlaufzeit < 10 sek.
Ø Kollektorfühler falsch positioniert (Mindestpumpenlaufzeit)1
Ø Leckage Solarwärmetauscher Anlagendruck zu hoch (TKol = 20 °C) AND (pSystem =
pSystem soll + 2 bar)2
Ø Absperrventil geschlossen Temperaturdifferenz (DT) zu hoch (Pumpe ein) AND
Ø Kabelbruch Regler / Pumpe (DT = DTsoll + 15 K)3, 4
Ø Eingänge der Regelung defekt
Ø Ausgänge der Regelung defekt
Ø Regler-Software fehlerhaft
Ø Falsch eingestellter Volumenstrom
Ø Falsch entlüftet
Ø dT-Einstellung ungünstig
Bedienerhinweis5
Ø Kollektor- oder Speichertemperatur- falsches DT => Pumpe läuft (R £ Rmin) OR (R ³ Rmax)
fühler defekt, ungenau zu falschen Zeiten (Widerstandssensor)
Ø Schwerkraftbremse offen Pumpe läuft auch nachts (Pumpe ein) AND (Uhrzeit
Ø Schwerkraftbremse verschmutzt zwischen 2200 und 600 Uhr)
Ø Schaltuhr falsch programmiert Startmenü6
Ø Stromausfall Anlagendruck zu hoch (TKol = 20 °C) AND (pSystem =
pSystem soll + 2 bar)2
Ø Fremdstromanode defekt Speicher korrodiert Strommessung in neue
Regler implementierbar
0 Die Fußnoten sind im Abschlußbericht erklärt!

Durch TRNSYS-Simulationen wurde der theoretische Einfluß verschiedener Parameter (z.B. Speichergröße) auf die Funktion der Fehlererkennungsalgorithmen überprüft. Anschließend wurden die Algorithmen von den Projektpartnern in Prototyp-Regler umgesetzt.
Die Erprobung der Prototypen zeigte, daß die Fehler durch die Algorithmen erkannt werden. Gleichzeitig zeigte sich aber auch, daß einige Algorithmen weiterer Anpassung bedürfen, da Sie auch zu Falschmeldungen führen können. Insbesondere die Anpassung der Algorithmen an unterschiedliche Anlagen (Kollektortypen, Speichertypen, ...) ist bei einer weiten Verbreitung der Funktionskontrolle notwendig. Diese Ergebnisse verdeutlichen auch, wie wichtig die Erprobung von Prototypen in der Praxis ist, da nicht alle Tests theoretisch bzw. mittels Simulationen durchgeführt werden können.
Die Validierung der Volumenstrombestimmung mittels Zeit-Messung der Temperaturflanke ergab eine hinreichende Genauigkeit von ca. 2 %, die zur Funktionskontrolle herangezogen werden kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Erste Ergebnisse wurden bereits auf dem Neunten Symposium Thermische Solarenergie im Mai 99 vorgestellt. Hier wurden auch ca. 100 Exemplare des Fehlerbaumes an Interessenten weitergegeben. Der Abschlußbericht wird Interessenten gegen eine Bearbeitungsgebühr von 20,- DM zugesandt. Die Ergebnisse sollen auch in Fachzeitschriften und im Internet veröffentlicht werden.


Fazit

Die in diesem Projekt entwickelte Funktionskontrolle eignet sich als gutes Werkzeug zur Fehlererkennung. Hiermit können die wichtigsten Fehler kleiner Solaranlagen detektiert werden. Die Algorithmen (Temperatur- und Zeitkonstanten) sollten variabel in die Regler implementiert werden, um größtmögliche Flexibilität in der Anwendung zu erhalten.