Entwicklung eines drehzahlabhängigen Sorptionsrotor-Modells in TRNSYS

Für die Optimierung von komplexen energietechnischen Systemen werden heutzutage oftmals dynamische Simulationsprogramme verwendet. Da für TRNSYS, einem der weltweit führenden dynamischen Simulationsprogramme, noch kein Modell eines drehzahlabhängigen Sorptionsrotors zur Verfügung stand, wurde dieses im Zuge dieser Arbeit entwickelt. Inhalt dieses Dokuments ist die Beschreibung der Vorgehensweise und die Präsentation der wesentlichen Entwicklungsschritte. Um die Anforderungen an das Modell zu konkretisieren, wurden am Beginn der Arbeit zwei Expertenumfragen durchgeführt (Teilnehmer: TRNSYS User und Hersteller von Sorptionsrotoren). Die Umfrage zeigte, dass sich TRNSYS User ein umfassenderes Modell als die zurzeit verfügbaren Modelle wünschen und dafür auch einen Mehraufwand bei der Parametrisierung in Kauf nehmen würden. Aufgrund der Komplexität, wäre für die Umsetzung eines solchen Modells ein numerisches Modell am besten geeignet. Die zweite Expertenumfrage hat jedoch ergeben, dass die charakteristischen Daten der Rotormatrix, welche für die Parametrisierung eines solchen Modells erforderlich wären, von den Herstellern nicht zur Verfügung gestellt werden. Daher wurde im Zuge dieser Arbeit ein drehzahlabhängiges Effizienz Modell umgesetzt, welches auf den theoretischen Ansatzes von Ruivo et al. basiert. Aufbauend auf die von Rabe et al. vorgestellte Vorgehensweise, wurde für die Entwicklung des Konzeptmodells eine Systemanalyse durchgeführt. Nach der Formalisierung des Modells konnte dieses im Simulation Studio implementiert werden. Für die Validierung des Modells wurden an einer in Wien installierten DEC-Anlage zwei Messreihen durchgeführt. Bei der Auswertung der Messergebnisse konnte gezeigt werden, dass sich in Abhängigkeit der Drehzahl unterschiedliche Temperatur- und Luftfeuchtigkeitswerte am Austritt des Sorptionsrotors einstellen und dass sich der Sorptionsrotor bei einem vorgegebenen Stellsignal von 10% mit einer Drehzahl von 0,4 U/min, und nicht wie erwartet mit einer Drehzahl von 1 U/min, dreht. Die Validierung des Simulationsmodells hat ergeben, dass das ausführbare Modell nur im Drehzahlbereich zwischen 0,4 U/min und 1,45 U/min einen plausiblen Trend aufweist. Um den Einsatzbereich des Modells zu vergrößern, wurden auf Basis der ersten Messreihe zwei empirische Formeln entwickelt, welche den Einfluss der Drehzahl auf das Betriebsverhalten für den Drehzahlbereich zwischen 0,4 U/min und 8,92 U/min abbilden. Im Praxistest hat sich jedoch gezeigt, dass das adaptierte Modell nachweislich nur für den folgenden Betriebspunkt plausible Werte ausgibt: - Eintritt Prozessluft: 18°C und 10 g/kg - Eintritt Regenerationsluft: 24°C und 10 g/kg - Drehzahl: 0,4 U/min - Luftvolumenstrom: 6100 m³/h Die Gründe für diesen nachweislich relativ schmalen Funktionsbereich liegen einerseits am Mangel an brauchbaren Monitoringdaten für die Validierung und andererseits an dermangelnden Robustheit der empirischen Formeln. Um das Robustheitsverhalten zu optimieren, müssten noch mindestens vier weitere Messreihen durchgeführt werden um aus diesen neue empirische Formeln ableiten zu können. Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsprojektes "SolarCoolingOpt - Primärenergetische Optimierung von Anlagen zur solaren Kühlung mit effizienter Anlagentechnik und innovativen Regelstrategien" (FFG-Nr.: 825544) erarbeitet. Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programmes "NEUE ENERGIEN 2020" durchgeführt. For the optimisation of complex energy industry systems, nowadays often dynamic simulation programs are used. As for TRNSYS, a world leader in dynamic simulation programs, no model of a speed-dependent sorption rotor model was available, such a model was developed during this work. Content of this document is the description of the method and the presentation of the development. To define the requirements of such a model two expert surveys were carried out (participants: TRNSYS User and sorption rotor manufactures). The main statement of the TRNSYS User was that they need a more extensive model. To get such a model, they would even accept an additional expense for the parameterisation. To realise such a model a numerical model would be suited. The second expert survey resulted in, that sorption rotor manufactures do not provide characteristic data of their sorption rotors. But these data would be necessary to parameterise a numerical model. For this reason a speed-dependent efficiency model was used, which is based on the theory of Ruivo et al. To organise the modelling process the systematic presented by Rabe et al. was used. As the first step a system analysis was carried out to get to a concept model. After the formalization, the model was implemented in simulation studio. For the validation of the model two measurement series were performed at a DEC-system in Vienna. This measurements shows, that the temperature and humidity varies in depends on the rotation speed and that the rotation speed at 10% is, contrary to the assumed 1 rpm, just 0.4 rpm. The validation of the model resulted in, that the model can only be used in a speed range of 0.4 rpm and 1.45 rpm. To enlarge the field of application of the model two empirical formulas were developed which describes the operational performance of the rotor speed for the speed range between 0.4 rpm and 8.92 rpm. The practical test of the adapted model shows, that it works only fine at the following operational point: - Process air inlet: 18°C and 10 g/kg - Regeneration air inlet: 24°C and 10 g/kg - Rotation speed: 0.4 rpm - Air volume flow: 6100 m³/h The reasons for this limited operational range are: It don´t exist not enough monitoring data for the validation and the empirical formulas are not robust enough. To optimise the robustness behaviour, it would be necessary to carry out at least four additional measurements and to deduce from them new empirical formulas.The results are part of the research project "SolarCoolingOpt - Primärenergetische Optimierung von Anlagen zur solaren Kühlung mit effizienter Anlagentechnik und innovativen Regelstrategien" (FFG-Nr.: 825544). This project is funded by the "Klima- und Energiefonds" and realised as a part of the program "NEUE ENERGIEN 2020".