To influence the combustion process of modern biomass furnaces specifically the combustion-controller determines the necessary mass flows. The gaseous mass flows can be adjusted by fans and flaps. To ensure the desired overall performance of the furnace the mass flows need to be set by inner control loops respectively. Within the work described in this paper a model based approach for the control design of the inner control loop is presented exemplarily for the secondary air supply. Thereby a flatness-based feedforward control will be designed by means of an appropriate model. © 2014 Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH.

With the share of renewable energy sources increasing in heating and hot water applications, the role of hydraulic heat distribution systems is becoming more and more important. This is due to the fact that in order to compensate for the often fluctuating behaviour of the renewables a flexible heat transfer must be ensured by these distribution systems while also taking the optimal operating conditions (mass flow, temperature) of the individual components into consideration. This demanding task can be accomplished by independently controlling the two physical quantities mass flow and temperature. However, since there exists an intrinsic nonlinear coupling between these quantities this challenge cannot be handled sufficiently by decoupled linear PI controllers which are currently state-of-the-art in the heating sector. For this reason this paper presents a model-based control strategy which allows a decoupled control of mass flow and temperature. The strategy is based on a systematic design approach from models described in this contribution, which are validated by commercially available components from which most of them can be parametrized by the data sheet. The control strategy is designed for a typical hydraulic configuration used in heating systems, which will allow the accurate tracking of the desired trajectories for mass flows, temperatures and consequently heat flows. The controllers are validated experimentally and compared to well-tuned state-of-the-art (PI) controllers in order to illustrate their superiority and prove their decoupling of the control of mass flow and temperature in real world applications.

The integration of solar thermal plants into district heating grids requires advanced control strategies in order to utilize the full potential in terms of efficiency and least operating effort. State-of-the-art control strategies cannot completely fulfil this since they are not able to consider the physical characteristics of the different components, nor do they take information on future conditions and requirements into account properly. A promising attempt for improvement is the application of model-based control strategies together with practicable forecasting methods for both the solar yield as well as the heat demand. This contribution will present the results of several projects performed on the development of suitable mathematical models, forecasting methods and control strategies relevant for the integration of solar thermal plants into district heating grids.

Three estimators for the estimation of the flue gas mass flow in biomass boilers are presented and compared, namely a sliding-mode observer, a Kalman filter, and a so-called steady-state estimator. The flue gas mass flow is an important process variable in biomass boilers as it contains information about the supplied mass flows of air and decomposed fuel. It is also related to the generated heat flow. Furthermore, its knowledge may be exploited in model-based control strategies which allow one to keep pollutant emissions low, on the one hand, and to achieve high efficiency, on the other hand. However, due to fouling of the equipment over time, measurements and existing estimation methods are not suitable for long-term applications. The estimators proposed in this article are based on a dynamic model for gas tube heat exchangers. They are capable of handling the fouling of the heat exchanger and, additionally, they offer the possibility of monitoring the degree of fouling. By incorporating an additional differential pressure measurement and extending the aforementioned estimators, an improvement regarding the dynamic response and the estimation accuracy is achieved. The application of the estimators to real measurement data from both, a medium-scale and a small-scale biomass boiler, demonstrates their wide applicability.

Scheitholzkessel sind die in Europa immer noch am stärksten verbreitete Form von Holz-basierten Zentralheizungssystemen. Der Bestand ist überaltert und weist die größten Anteile an den verursachten Schadstoffemissionen aus Festbrennstoffzentralheizungssystemen auf. Das Ziel des Projektes, die komplette Neuentwicklung einer modellbasierten Regelung für Scheitholzkessel mit Pufferspeichern und einer Solaranlage, stellte einen Technologie-sprung in Richtung einer drastischen Reduktion der Schadstoffemissionen (CO, org. C, Fein-staub) bei gleichzeitiger Erhöhung des Nutzungsgrades und Benutzerkomforts dar. Dabei erfolgte sowohl die übergeordnete Regelung des Zusammenspiels der Komponenten (Systemregelung) als auch die Regelung der einzelnen Komponenten (Feuerungsregelung, Hydraulikregelung) modellbasiert. Die neue Regelung basiert auf einer gezielten Interaktion mit dem Benutzer, in welcher der Benutzer zielgerichtet zum Nachlegen einer bestimmten Brennstoffmenge in einem bestimmten Zeitraum aufgefordert wird. Zusätzlich dazu werden alle Teilprozesse (Verbrennung des Scheitholzes, Übertragung der Wärme in den Pufferspeicher, usw.) modellbasiert und damit deutlich effizienter und genauer geregelt. Im Fall der Feuerungsregelung wurde zusätzlich zur modellbasierten Regelung von Vorlauf-temperatur und Sauerstoffgehalt auch eine innovative CO-l-Regelung eingesetzt, die basierend auf einer kontinuierlichen Schätzung der CO- l-Charakteristik unter Verwendung eines kombinierten Sensors zur Sauerstoffmessung und Detektion unverbrannter Kompo-nenten stets einen für den aktuellen Betriebszustand optimalen Sollwert für den Sauer-stoffgehalt vorgibt. Die laufende Anpassung des Sauerstoffgehaltes führt zu einer deutlichen Reduktion der Schadstoffemissionen (CO, org. C, Feinstaub). Zum Erreichen dieser Ziele wurden im Wesentlichen folgende Schritte durchgeführt:

• Experimentelle Untersuchung und Modellierung des Abbrandverhaltens von Scheitholz (inklusive der CO-l-Charakteristik)
• Entwicklung einer übergeordneten modellbasierten Systemregelung
• Entwicklung einer modellbasierten Feuerungsregelung (inkl. CO-l-Regelung) für einen effizienten und schadstoffarmen Betrieb des Scheitholkessels
• Experimentelle Bewertung des Potentials der modellbasierten Regelung
• Analyse der Anforderungen zur Anpassung der Regelung an andere Konfigurationen

Das beantragte Projekt leistete somit einen entscheidenden Beitrag zum Ausschreibungs-schwerpunkt „Effiziente und emissionsarme Klein- und Kleinstfeuerungen durch Integration einer intelligenten Verbrennungs- und Leistungsregelung“ und ging zusätzlich explizit auf die im Ausschreibungsleitfaden adressierte Verwendung von kombinierten Sensorsystemen wie CO- l-Sensorsysteme zur Verbrennungsregelung ein. Dabei ist insbesondere hervorzuheben, dass der durchdachte Ansatz das Sensorsignal zu Schätzung der CO- l-Charakteristik zu verwenden den wesentlichen Vorteil mit sich bringt, dass die exakte Messung der CO-Emissionen durch den Sensor nicht erforderlich ist, sondern es ausreicht, wenn dieser die Tendenzen richtig wiedergibt.

For an appropriate operation of a heat exchanger it is very helpful to know its dynamic behaviour. To this a simple sufficient accurate nonlinear model for the description of the dynamic behaviour is derived on the basis of a gas tube heat exchanger. Due to the general approach used for the derivation the model could be adaptet easily for other types of heat exchangers. The presented model can be used to estimate not measured physical values, to monitor the deposit formation in the heat exchanger and as a basis for the design of a model based control strategy. © Oldenbourg Wissenschaftsverlag.

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Herleitung mathematischer Simulationsmodelle eines Pufferspeichers, eines Solarkollektors sowie eines Plattenwärmeübertragers. Dabei wird das Simulationsmodell des Pufferspeichers anhand eines am Markt verfügbaren Pufferspeichers entwickelt. Die mathematischen Beschreibungen der Simulationsmodelle basieren auf einer partiellen Differentialgleichung zur Beschreibung der Wärmeübertragung in einem durchströmten zylindrischen Rohr. Nach dem Erhalt der mathematischen Modelle werden diese mit einem impliziten Lösungsverfahren numerisch gelöst. Anschließend werden die experimentell zu ermittelnden Parameter des Pufferspeichermodells anhand gezielt durchgeführter Versuche bestimmt. Nach dem Ermitteln der Parameter wird das Simulationsmodell des Pufferspeichers mit einem weiteren Versuch experimentell verifiziert. Schlussendlich bildet das mathematische Modell des Pufferspeichers den untersuchten Pufferspeicher sehr zufriedenstellend ab, womit ein Simulationsmodell vorliegt, das gezielte Untersuchungen ohne aufwändige Versuche ermöglicht. Abschließend wird eine Regelung für die Wärmeübertragung aus dem Solarkollektor in den Pufferspeicher entwickelt. Dabei werden zwei in der Praxis übliche Verfahren untersucht. Bei der ersten Variante erfolgt die Übertragung der Wärme in den Pufferspeicher über ein im Pufferspeicher integriertes Solarregister. Bei der zweiten Variante erfolgt die Übertragung der Wärme über einen Plattenwärmeübertrager vom Wasser-Frostschutzgemisch auf Wasser, welches dann direkt in den Pufferspeicher eingespeist wird. Als Reglerstruktur wird in beiden Fällen ein Standard-Regelkreis mit einer statischen Vorsteuerung verwendet. Anhand von Simulationsstudien werden zunächst die Parameter des PI-Reglers festgelegt und in weiterer Folge die mit der jeweiligen Variante resultierenden Temperaturverläufe des Wassers im Pufferspeicher untersucht und gegenübergestellt. Dabei stellt sich heraus, dass die Temperatur des Wassers im Pufferspeicher, bei gleich bleibender Strahlungsstromdichte der Solarstrahlung Igauf den Solarkollektor, die gewünschte Solltemperatur bei Wärmeübertragung mittels Plattenwärmeübertrager schneller erreicht, als bei Wärmeübertragung durch das Solarregister. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung des Plattenwärmeübertragers eine Schichtung der Temperatur des Wassers im Pufferspeicher und somit eine Speicherung der Wärme auf einen höheren Temperaturniveau.

Die Verbrennung fester Biomasse gewinnt als nachhaltige Form der Energieerzeugung stetig an Bedeutung. Eine mögliche Technologie stellen dabei Biomasse-Thermoölkesselanlagen dar, deren Regelungen bis jetzt noch nicht auf einem mathematischen Modell basieren und dementsprechend deren verkoppeltes und zum Teil nichtlineares Verhalten nur ungenügend berücksichtigen. Ziel dieser Arbeit ist es, ein für Biomassefeuerungsanlagen mit Wasserkesseln existierendes Modell sowie die darauf aufbauende Regelungsstrategie an die speziellen Gegebenheiten von Thermoölkesselanlagen anzupassen. Dazu wird zunächst ein einfaches Modell für Thermoölwärmeübertrager auf Basis einer Energiebilanz hergeleitet und anhand von verfügbaren Betriebsdaten qualitativ verifiziert. Anschließend wird die bei der Regelung von Wasserkesselanlagen eingesetzte Eingangs-Ausgangslinearisierung verallgemeinert. Darauf aufbauend wird eine Regelungsstrategie zur Regelung des Thermoölwärmeübertragers hergeleitet. Die Leistungsfähigkeit des Regelungskonzeptes wird schließlich in Simulationsstudien gezeigt. 

Primary devolatilization and the exothermic heterogeneous secondary charring of the primary volatiles need to be described in a consistent manner in order to correctly predict the heat of reaction of biomass pyrolysis. Detailed reaction schemes can currently predict mass loss and product composition of biomass pyrolysis with good accuracy, but have a weakness in the description of the heat of reaction. In this work it is shown for the first time that including secondary charring reactions a detailed reaction scheme can predict the evolution of the heat of pyrolysis for different conditions. The enthalpy of reaction is calculated for each reaction as the difference between the net calorific value of reactants and products. The presented model is able to describe the heat evolution in micro-TGA-DSC experiments conducted without a lid, where pyrolysis is endothermic, and with a lid, where secondary reactions are enhanced and the global heat of reaction shifts to exothermic. Furthermore, when it is coupled to a particle model, it correctly describes single particle pyrolysis experiments conducted with beech spheres where there is a remarkably exothermic peak in the centre temperature.

 Im Bereich der thermischen Biomassenutzung (speziell Rostfeuerungen) werden CFD-Simulationen eingesetzt, um Hilfestellung bei der Diagnose und Lösung von Betriebsproblemen zu leisten sowie bei der Entwicklung von neuen Feuerungen und Kesseln zu unterstützen. Zurzeit sind keine Modelle verfügbar, mit denen sowohl die Vorgänge im Brennstoffbett als auch in der Gasphase einer Biomasse-Rostfeuerung mit Hilfe von detaillierten numerischen Modellen bei akzeptabler Berechungszeit simuliert werden können. Um die direkte Kopplung des Bett-Modells mit der Gasphase zu bewerkstelligen, ist es nötig, ein geeignetes Partikel-Modell zu entwickeln, welches die thermische Konversion (Trocknung, Pyrolyse und Holzkohle-Ausbrand) von thermisch dicken Biomassepartikeln beschreibt und mit bereits vorhandenen CFD-Modellen für die Gasphasensimulation gekoppelt werden kann. In diesem Schalenmodell werden die einzelnen Biomassepartikel als thermisch dick behandelt, d.h. die Temperaturgradienten in den einzelnen Partikeln sowie der gleichzeitige Ablauf mehrerer Umwandlungsprozesse berücksichtigt. Das Schalenmodell wurde mit Hilfe von gemessenen Partikeloberflächen- und -zentrumstemperaturen sowie mit Messwerten des Gesamtmasseverlustes während der Verbrennung in einem Einzel-Partikelreaktor validiert. Ein weiteres Problem, das bei der Simulation von Biomasse-Rostfeuerungen auftritt, ist die Modellierung der Gas-Festkörper-Mehrphasenströmung. Das Modell muss dabei in der Lage sein, den Einfluss der Partikel-Partikel-Wechselwirkung währenden der Partikelbewegung am Rost korrekt zu beschreiben. Aus diesem Grund wurde durch Kopplung von Euler- und Lagrange Mehrphasenströmungs- Ansätzen ein neues, dreidimensionales Schüttungsmodell entwickelt. Dabei wird die Partikelbewegung am Rost mit Hilfe eines Euler-Ansatzes (Euler-Granular-Modell) beschrieben, während die thermische Umwandlung der Biomassepartikel mit Hilfe eines Lagrange-Ansatzes und dem entwickelten Einzelpartikelmodell beschrieben wird. Das 3D-Festbettmodell für Biomasserostfeuerungen wurde eingesetzt, um eine 20 kW Biomasse-Unterschubfeuerung zu simulieren. Da es keine experimentelle Daten hinsichtlich der Bedingungen im Brennstoffbett gab, wurden qualitative Informationen hinsichtlich der Positionen der Trocknungs-, Pyrolyse- und Holzkohle-Ausbrandzonen, sowie mit Thermoelementen gemessenen Rauchgastemperaturen an verschiedenen Positionen in der Brennkammer zum Vergleich mit den Simulationsergebnissen herangezogen. Des Weiteren erfolgte im Zuge dieser Arbeit eine Weiterentwicklung des Festbett-Modells, indem der Strahlungsaustausch zwischen den Partikeln sowie detaillierte kinetische Modelle für die Gasphasenverbrennung im Modell implementiert wurden. Das weiterentwickelte Modell wurde mit Hilfe von experimentellen Daten aus Testläufen in einem Festbett-Laborreaktor validiert. Diese Messdaten beinhalten gemessene Konzentrationen von CO, CO2, CH4, H2, H2O und O2 im Rauchgas über dem Brennstoffbett sowie Temperaturen in unterschiedlichen Positionen im Bett und über dem Bett. Die vorhergesagten Werte zeigten eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Werten.

A new mathematical model for the grate combustion of biomass has been derived from physical considerations. Various models for grate combustion can already be found in the literature. Usually their intention is to simulate the real situation in a furnace as precisely as possible. Hence they are very detailed, typically consisting of many partial differential equations. However, because of their complexity they are useless for control purposes. The new model is very simple, consisting of only two ordinary differential equations, which makes it particularly suitable as a basis for model based control strategies. To verify the model, experiments were performed at a pilot scale furnace with horizontally moving grate. The pilot plant is a downscaled version (180 kW_th) of a typical medium scale furnace in terms of geometry and instrumentation. Comparison of the measured and calculated values shows good agreement. © 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The use of renewable-energy-based heat producers within district heating grids is getting more and more popular. In order to benefit from the advantages and compensate for the different disadvantages of the various types of heat producers powered by renewable energy sources like biomass, solar energy or waste heat, a combination of these systems could be favoured over using, for example, only one main biomass-based boiler. Furthermore , in many cases, the additional use of buffer storages is necessary to fully benefit from the use of these kinds of heat producers. A major challenge with such multi-producer heating grids is the cost optimal management of all heat producers and buffer storages. Therefore , a high-level control strategy is necessary, which is able to plan ahead the use of slowly reacting and/or weather dependent heat producers while minimizing operational costs and pollutant emissions. This article shows the development of a linear model predictive controller (MPC) for a district heating grid with several (renewable) decentralized heat producers and heat storages. In order to provide the MPC with the required forecast of the future heat demand, an adaptive load forecasting method has been designed. Additionally, in order to be able to incorporate solar panels, the MPC needs to have a forecast of their possible future heat output. Therefore, a physically motivated solar yield forecasting method has been designed. The required prediction models for the MPC were represented by so-called mixed logical dynamical (MLD) system models. MLD system models combine the modelling power of discrete state system models (finite state machines) and discrete time system models by the extension of the regular linear state-space system model approach with integer and continuous auxiliary variables and linear inequality constraints. The occurrence of both integer and continuous variables within the resulting optimization problem of the MPC leads to a mixed-integer linear program (MILP), which can be solved efficiently using modern MILP solvers. The resulting control strategy is tested in a thermo-hydraulic simulation environment of an actual small-scale multi-producer district heating grid consisting of a medium-scale wood chip boiler with buffer storage, a solar collector with buffer storage and a high temperature heat pump, an oil boiler and 25 heat consumers. Additionally, a state observer was designed and connected with the MPC in order to detect control errors and to incorporate feedback from the heat producers and the buffer storages. The simulations have indicated that the designed MPC and the state observer work properly. Therefore, these elements have been implemented on-site on the actual heating grid, with the first test run scheduled for October 2017.
Modellprädiktive Regelung eines solar-und biomassebasierten Fernwärmenetzes | Request PDF. Available from: https://www.researchgate.net/publication/321314304_Modellpradiktive_Regelung_eines_solar-und_biomassebasierten_Fernwarmenetzes [accessed Feb 21 2018].