Masterarbeit Katharina Brinkmann

 

Integration der Betriebscharakteristik in den Auslegungsprozess von Luft-zu-Wasser-Wärmepumpen

In der Praxis führen Defizite bei der Auslegung, Installation und im Betrieb des Wärmepumpensystems zu geringerer Effizienz als im Vorfeld abgeschätzt. Höhere Systemeffizienz kann durch eine Integration der Betriebscharakteristik in den bisher statischen Auslegungsprozess von Wärmepumpensystemen erreicht werden.

Zur Analyse der Betriebscharakteristik des Systems wird ein Wirkungsplan nach DIN IEC 60050 entwickelt.

Das monoenergetische Heizsystem einer Luft-zu-Wasser-Wärmepumpe im typischen Gebäudebestand ist gemäß aktueller VDI-Richtlinie 4645 ausgelegt. Angenommen wird eine Wärmepumpe ohne Leistungsanpassung, geregelt nach aktueller Installationspraxis. Dabei wird die Solltemperatur des Pufferspeichers durch eine außentemperaturgeführte Heizkurve vorgegeben.

Aus dem Wirkungsplan werden die Hysteresen des Zweipunktreglers von Wärmepumpe und elektrischer Zusatzheizung sowie die vorgegebenen Solltemperaturen als Einflussgrößen auf die Systemeffizienz identifiziert. Darüber hinaus wird ein Einfluss der regelbasierten Umsetzung der Mindeststand- und Mindestlaufzeit erwartet.

Zur Untersuchung der Hypothesen ist die Bestimmung der Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 für die Feststellung des Einflusses der identifizierten Größen auf die Effizienz nicht ausreichend.

Daher werden zur Analyse der Gesamteffizienz des Systems Jahressimulationen mit verschiedenen Betriebsparametern durchgeführt. Die Gesamtjahreseffizienz wird als Quotient der bereitgestellten Wärme geteilt durch den Energieaufwand sämtlicher Aggregate unter Berücksichtigung der Startverluste definiert.

Bestimmt wird die Gesamtjahreseffizienz maßgeblich durch die Effizienz des idealisierten Systems und die Startverluste. Den größten Einfluss auf die Effizienz des idealisierten Systems zeigt die Heizkurve. Entscheidend ist die über den Betrieb der Wärmepumpe gemittelte Außentemperatur. Durch eine Absenkung der Heizkurve in diesem Betriebspunkt von 50 °C auf 30 °C wird durchschnittlich eine 32,2 % höhere Gesamteffizienz erreicht. Die Startverluste infolge der Startvorgänge pro Jahr sind maßgeblich von der Hysterese des Wärmepumpenreglers abhängig. Die Abhängigkeit der Anzahl von Startvorgängen von der Hysterese des Wärmepumpenreglers ist um den Faktor 50 größer als die Abhängigkeit von den anderen untersuchten Betriebsparametern.

Im Rahmen der Arbeit wird folglich eine Abhängigkeit der Systemeffizienz von den Betriebsparametern gezeigt. Daher ist eine Integration der Betriebscharakteristik in den Auslegungsprozess des Wärmepumpensystems notwendig.

Weiterführend ist zur Abschätzung des Einflusses der Startverluste auf die Gesamteffizienz eine genaue Bestimmung der Verluste sämtlicher Systemkomponenten unter Berücksichtigung des realen Gütegrades der Wärmepumpe und der Startverluste erforderlich.