Simulationsbasierte Analyse der Einflussfaktoren auf Betriebszahlen von Wärmepumpenanlagen

Perrin, Philipp

Betriebszahlen wie Jahresarbeitszahl und elektrischer beziehungsweise thermischer Energieverbrauch einer Wärmepumpenanlage für den privaten Gebäudesektor sind abhängig von einer Vielzahl von Parametern. Handelsübliche Wärmepumpenanlagen erreichen auf dem Prüfstand noch eine vergleichbare Effizienz, weisen jedoch bei den Arbeitszahlen im Feld große Unterschiede auf. Diese große Streuung lässt sich nicht allein durch variierende Anlagentechnik und klimatische Randbedingungen erklären, auch das Verhalten von Planer, Installateur und Nutzer spielt eine wichtige Rolle. Durch systematische Variation der Simulationsparameter können vergleichbare Bedingungen wie in einer Feldmessung geschaffen werden. Die Analyse der Einflussfaktoren Hersteller, Planer, Installateur und Nutzer zeigt, dass sie sich gleichermaßen auf die Betriebsweise von Wärmepumpenanlagen auswirken. Allein effiziente Geräte zu installieren reicht nicht aus, um hohe Arbeitszahlen im Feld erzielen zu können. Jede Anlage muss zusätzlich gründlich geplant und installiert werden. Aus den gewonnenen Erkenntnissen der Systemsimulation können Maßnahmen zur Optimierung des Gesamtsystems abgeleitet werden. Großes Optimierungspotential wurde vor allem bei der Trinkwasserbereitung identifiziert. Daher werden in dieser Arbeit ein Optimierungsalgorithmus zur Reduktion der Trinkwasserspeichertemperatur vorgestellt und dessen Auswirkungen auf das Gesamtsystem analysiert. Des Weiteren wird die Bedeutung einer gründlichen Auslegung der Wärmepumpenanlage dargestellt. Durch den Einsatz von leistungsgeregelten Komponenten wird die Dimensionierung wesentlich vereinfacht. In Hinsicht auf minimale jährliche Kosten werden daher zunächst die Drehzahlen von Kompressor, Sole- und Ladepumpe in stationären Betriebspunkten optimiert. Im Anschluss daran werden Regelstrategien für die Komponenten in der Systemsimulation implementiert und das daraus resultierende, jährliche Einsparpotential des Gesamtsystems beurteilt.

The operating numbers like seasonal performance factor and electrical or thermal energy consumption of domestic heat pump systems depend on numerous influencing factors. While the heat pump devices achieve similar performance factors measured under laboratory conditions, the metered efficiencies in a field test considerable differ. This variation of performance during field tests can not only be explained by different types of heating installation or varying climate conditions, but moreover installation planner, plumber and user play a major roll. With a schematic variation of simulation parameter a comparable environment to field measurements could be realised. Therewith for the first time the influence of manufacturer, installation planer/plumber and user is calculable. The analysis of all this factors in the presented work shows, that each influencing factor has a related impact on the system behaviour. It is not only sufficient to install a heat pump with high efficiency to reach above average seasonal performance factors, besides the plant has to be planned and installed properly. From the simulation results measures could be developed to optimize the total system efficiency. The preparation of domestic hot water is identified as weak point of the heat pump system. This work presents an optimization algorithm for reducing the hot water storage temperature; furthermore the impact on the entire system is evaluated. In addition the impact of a solid dimensioning of the heating installation is lined out. By using power regulated components the dimensioning can be simplified considerably. With respect to minimal yearly costs the power of compressor, brine pump and load pump is optimized in stationary operating points. From these results a control strategy for the components of the system simulation is developed and possible savings are predicted.

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Perrin, Philipp: Simulationsbasierte Analyse der Einflussfaktoren auf Betriebszahlen von Wärmepumpenanlagen. 2012.

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