Masterarbeit Hannah Krützfeld

 

Optimale Auslegung von Wärmepumpensystemen unter Berücksichtigung der Betriebsstrategie

Rahmenstruktur Optimierungsproblems Urheberrecht: EBC Rahmenstruktur des angewandten Optimierungsproblems. Dargestellt sind die drei Teilschritte: I. Vorbereitung der Randbedingungen; II. Linearisierung des Modells; III. Anwendung mit zwei Alternativen zur Integration der Regelung.

Wärmepumpen bieten die Möglichkeit durch eine Elektrifizierung der Wärmebereitstellung auf fossile Energiequellen im Gebäudesektor zu verzichten und dadurch die direkten Kohlenstoffdioxidemissionen zu senken. Damit vermehrt Wärmepumpensysteme im Gebäudebestand installiert werden, müssen Auslegungsverfahren verbessert werden, sodass die Systeme wirtschaftlicher ausgelegt werden können. Aktuelle Studien zeigen, dass zur Verbesserung der Auslegung die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten und das Betriebsverhalten im Auslegungsprozess berücksichtigt werden sollten.

Am Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik der RWTH Aachen wird die Auslegungsverbesserung durch Simulationsstudien untersucht. Zudem werden mathematische Optimierungsrechnungen zur Dimensionierung der Systemkomponenten angewandt. Ansätze zur gleichzeitigen Optimierung von Komponentendimensionierung und geregeltem Betrieb existieren aktuell nicht.

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Anwendbarkeit eines MILP-Modells zur Optimierung der Auslegung eines Wärmepumpensystems untersucht. Der Betrieb und der Einfluss einer Regelung werden bei der Dimensionierung der Komponenten berücksichtigt. Die Optimierungsrechnung wird zur Reduktion der Rechenzeit auf Basis von Typtagen durchgeführt. Um einen Vergleich mit normativen Auslegungsverfahren zu ermöglichen,werden Jahressimulationen der durch dieOptimierung ausgelegten Systeme durchgeführt.

Durch die Optimierung werden die Wärmepumpe um bis zu 50% kleiner und die Speicher bis zu sechsmal größer ausgelegt als bei einer normativen Auslegung. In Jahressimulationen sind durch die geringeren Investitionskosten die Gesamtkosten etwas niedriger als bei einer Auslegung nach Norm. Dabei sind die Betriebskosten durch eine vermehrte Nutzung des Heizstabs höher.

Die genaueDatengrundlage und damit auch dieWahl der Typtage haben einen großen Einfluss auf die Auslegung des Wärmepumpensystems. Um die Gesamtjahreseffizienz zu steigern, sollte ihre Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur bei derWahl der Typtage berücksichtigt werden.

Die Darstellung des Systems als MILP erfordert Vereinfachungen der Systembeschreibung, die zu numerischen Schwierigkeiten und teilweise physikalisch nicht interpretierbaren Ergebnissen führen. Vor allem zurUmsetzung komplizierterer Regelstrategien scheint die Formulierung alsMILP nicht geeignet. Es wird daher empfohlen simulationsbasierte Optimierungsverfahren zu untersuchen, die sowohl Nichtlinearitäten als auch differentielle Systemzustände abbilden können.