Masterarbeit Steffen Wiegmann

 

Integration dynamischer Randbedingungen in den Auslegungsprozess von Wärmepumpensystemen

Bei der Auslegung nach Norm und späteren Betrieb eines Wärmepumpensystems werden die dynamischen
Betriebsrandbedingungen, zu denen das Wetter und das Nutzerverhalten gehören,
nicht beachtet. Das hat eine Reduktion der Effizienz der Wärmepumpe zur Folge als zuvor abgeschätzt.
Daherwird in der vorliegenden Arbeit ein detailliertes Simulationsmodell eines Einfamilienhauses
entwickelt, mit dem sowohl Außentemperaturen, Sonneneinstrahlungen und Windgeschwindigkeiten
aus Wetterdaten als auch die inneren Lasten und das Lüftungsverhalten des Nutzers eingebunden
werden. Dieses Modell besitzt eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, einen Heizstab, einen
Trink- und Heizwarmwasserspeicher, die nach der VDI-Richtlinie 4645 ausgelegt sind. Untersuchungen
werden an den Standorten Aachen, Freiburg, Frankfurt an der Oder und Bremerhaven
durchgeführt. Zur Auswertung der Ergebnisse wird der SCOP herangezogen.
Anhand des Simulationsmodells wird zunächst eine neue Regelung für die Bestimmung der Temperatur
desHeizwarmwasserspeichers entwickelt.Hierzu wird diemaximal benötigte Vorlauftemperatur
des Wärmeübergabenetzes ermittelt, um die Raumtemperatur konstant bei Sollwert zu
halten. Durch diese Regelung sinkt die Speichertemperatur über ein Jahr gemittelt um1,26±C und
der SCOP der Wärmepumpe wird um1,85% erhöht.
DesWeiteren wird dasWärmeübergabenetz hinsichtlich der Ausnutzung einzelnerHeizkörper untersucht.
Dazu erfolgt zu Beginn die Ermittlung von demEinflüssen auf die Ausnutzung der Heizkörper.
Anschließend wird eine Verbesserung des Wärmeübergabenetzes durch eine Erhöhung
des SCOPs von 12,45% erreicht.
Abschließend wird durch eine Rule Base Control eine Senkung des Sollwertes der Raumtemperatur
während der Abwesenheit des Nutzers vorgenommen. Damit wird der Energieverbrauch um
16,4% gesenkt.
In weiterführenden Arbeiten müssen weitere Parameter untersucht werden. Dazu gehören unter
anderem die Dimensionierung der Speicher, des Heizstabs und der Wärmepumpe. Dabei muss
neben der energetischen Betrachtung ebenfalls eine ökologische Betrachtung und eine Bewertung
des Nutzerkomforts erfolgen. DesWeiteren muss das Nutzerverhalten in nachfolgenden Untersuchungen
variiert werden.