Masterarbeit Christoph Höges

 

Bewertung der simulationsgestützten Auslegung von Wärmepumpensystemen unter Berücksichtigung der Betriebsdynamik

Aufbau des Optimierungstools Urheberrecht: EBC Aufbau des Optimierungstools

Innerhalb des Gebäudesektors stellt die Wärmepumpe eine Schüsseltechnologie dar, um konventionelle Technologien, welche fossile Energieträger als Quelle nutzen, abzulösen und die Emissionen klimaschädlicher Gase zu reduzieren. Allerdings übersteigen die Gesamtkosten von Wärmepumpensystemen die konventioneller Systeme. Um die Marktdurchdringung zu erhöhen, muss die Wirtschaftlichkeit gesteigert werden. Dies kann unter anderem durch eine verbesserte Systemauslegung geschehen. Vorarbeiten zeigen, dass mit Hilfe eines simulationsbasierten Ansatzes die Gesamtkosten um bis zu zehn Prozent reduziert werden können.

Im Rahmen dieser Arbeit wird daher eine simulationsbasierte Auslegungsoptimierung verfolgt. Dafür wird ein Optimierungstool entwickelt, welches auf einem Mehrzielgrößen genetischen
Algorithmus basiert. Zusätzlich werden Modelle von Wärmepumpensystemen entwickelt, damit die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann der Optimierer sowohl die Auslegung als auch den Betrieb hinsichtlich der jährlichen Kosten und Emissionen minimieren.

Die Optimierungsergebnisse zeigen im Vergleich zur Auslegung nach DIN EN 15450 ein Verbesserungspotential von bis zu 12% bei den jährlichen Kosten und bis zu 16% bei den jährlichen
Emissionen. Dabei wird die thermische Leistung der Wärmepumpe um bis zu 50% verringert, wohingegen bis zu dreimal größere Pufferspeicher installiert werden. Allerdings existieren einige Abhängigkeiten, welche die optimierte Auslegung unmittelbar beeinflussen.
Unter Verwendung eines Jahres mit einem kalten Winter und eines damit um 50% erhöhten Wärmebedarfs fallen die Unterschiede in der Auslegung kleiner aus, wobei ähnliche Trends erkennbar sind. Dadurch wird das Verbesserungspotential auf 5% in den Kosten und 9% in den Emissionen reduziert. Gleichzeitig wird beobachtet, dass nur die Auslegung für ein kaltes
Jahr unabhängig von den Wetterbedingungen einen effizienten Betrieb sicherstellt. Daher wird die Verwendung des kaltes Testreferenzjahres für die Auslegung empfohlen.

Zusätzlich beeinflusst die Wärmepumpenregelung maßgeblich die Auslegung. So werden für eine an/aus-geregelte Wärmepumpe 50% größere Speicher als für eine modulierende vorgesehen. Folglich sollte die Regelung in den Auslegungsprozess integriert werden. Damit geht allerdings eine erhöhte Optimierungsdauer einher. Eine Maßnahme zur Verringerung der Optimierungsdauer stellt die Datenclusterung dar. Diese zeigte jedoch einen erheblichen Einfluss auf die Auslegungsergebnisse und wird deshalb nicht empfohlen.

Um die Ergebnisse zu verifizieren sollten die Untersuchungen für weitere Standorte durchgeführt werden. Außerdem wird empfohlen, die Sensitivität der Optimierung auf veränderte Randbedingungen zu untersuchen.