Masterarbeit Laura Maier

 

Integration der Struktur von Heizenergiesystemen in das Auslegungsverfahren von Luft-zu-Wasser-Wärmepumpen für den Gebäudebestand

Ergebnisse Urheberrecht: EBC Endenergieaufwand und Annuität verschiedener Auslegungskonfigurationen von Heizenergiesystemen im Vergleich zu Ergebnissen der normativen Auslegung. Punkt 1, 2 und 3 sind mögliche Auslegungsvarianten nach Norm und basieren auf unterschiedlichen Pufferspe

Der Absatz von Wärmepumpen zur Nachrüstung von Heizenergiesystemen im Gebäudebestand ist in den letzten Jahren aufgrund hoher Systemkosten gesunken. Durch eine verbesserte Auslegung wird sich eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit versprochen. Ein Vergleich normativer Auslegungsverfahren mit forschungstechnischen Erkenntnissen unterstreicht deren Verbesserungspotenzial. Dabei wird deutlich, dass die Dimensionierung der Komponenten sowie die Struktur des Heizenergiesystems entscheidend für einen energieoptimalen Betrieb sind.

Im Rahmen der Arbeit werden zur Untersuchung verschiedener Auslegungskonfigurationen Simulationsergebnisse auf Basis eines Versuchsplans ausgewertet. Die Auslegungskonfigurationen stellen Heizenergiesysteme verschiedener Dimensionierung dar. Die Simulationsmodelle bilden typische Strukturen von Heizenergiesystemen ab, wobei zwischen der hydraulischen Parallel- und Reihenschaltung des Pufferspeichers unterschieden wird. Mit Hilfe der Simulationen wird der jährliche Endenergieaufwand des Systems bestimmt. Darauf aufbauend wird durch eine nichtlineare Regression ein funktionaler Zusammenhang zwischen Auslegungskonfiguration und Endenergieaufwand hergeleitet.

Ein Vergleich der Integrationsmöglichkeiten des Pufferspeichers verdeutlicht, dass die hydraulische Struktur den Endenergieaufwand des Gesamtsystems beeinflusst. Davon abgesehen zeigt die Analyse der Zusammenhänge, dass nichtlineare Wechselwirkungen bestehen. Aus diesen ergibt sich eine Vielzahl von Konfigurationen, welche einen ähnlichen Endenergieaufwand aufweisen. Um den Lösungsraum für den Nutzer einzuschränken, ist die Einführung der Annuität zur Bewertung der relativen Wirtschaftlichkeit sämtlicher Varianten notwendig. Der Endenergieaufwand fließt dabei über die bedarfsgebundenen Kosten in die Berechnung der Annuität ein. Der Vergleich der Verläufe von Annuität und Endenergieaufwand ergibt, dass Zielkonflikte existieren, die zu unterschiedlichen Auslegungsempfehlungen führen.

Durch die Untersuchung der Auslegungskonfigurationen wird gezeigt, dass im Vergleich zur normativen Strategie der Endenergieaufwand um 12 % bei Reihenschaltung und um 14 % bei Parallelschaltung gesenkt werden kann. Das ökonomische Einsparpotenzial beträgt hierbei in beiden Fällen ca. 3 %. Die Dimensionierung und hydraulische Struktur von Heizenergiesystemen sollten folglich in ein Auslegungsverfahren integriert werden.

Die weitergehende Untersuchung der Effekte der hydraulischen Integrationsmöglichkeiten des Pufferspeichers bedarf der Implementierung eines detaillierten Gebäudemodells. Für zukünftige Arbeiten wird zudem eine Optimierung empfohlen, um für den Nutzer die ideale Auslegungskonfiguration zu bestimmen.