Masterarbeit Jonas Klingebiel

 

Energetische und akustische Bewertung von Mehrgrößenregelungskonzepten für Kältemittelkreisläufe

Der Zielkonflikt zwischen energetischer Effizienz und akustischer Emission einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Urheberrecht: EBC Der Zielkonflikt zwischen energetischer Effizienz und akustischer Emission einer Luft-Wasser-Wärmepumpe.

Das Klimaschutzprogramm 2030 der Bundesregierung sieht eine Austauschprämie für Ölheizungen vor, um effizientere Heizsysteme zu fördern. Die Wärmepumpe stellt aufgrund ihrer geringen CO2-Emissionen eine förderbare Technologie dar. Unter den Wärmepumpentechnologien weisen Luft-Wasser-Wärmepumpen durch ihre vergleichsweise niedrigen Anschaffungskosten und ihren geringen Installationsaufwand den größten Marktanteil in Deutschland auf.

Ein Einflussfaktor auf die Marktdurchdringung der Wärmepumpe sind ihre Geräuschemissionen, welche für die Psychoakustik eines Menschen störend sein können. Luft-Wasser-Wärmepumpen benötigen einen Kompressor und einen Ventilator, um den Wärmebedarf effizient zu decken. Deren Drehzahlen und damit auch der emittierte Schall werden von der Wärmepumpenregelung vorgegeben.

Im Rahmen dieser Arbeit werden Mehrgrößenregelungskonzepte an einem Wärmepumpensimulationsmodell entwickelt und anhand realitätsnaher Wärmebedarfsprofile energetisch und akustisch bewertet. Durch simulationsbasierte Optimierung werden optimale Regelparameter der implementierten Wärmepumpenregelung identifiziert. Im Vergleich zum λ-Tuning, einem herkömmlichen Auslegungsverfahren, kann der integrale Regelfehler einer Sprungantwort 67% reduziert werden. Zudem werden optimale Regelparameter für unterschiedliche Kältemittel bestimmt und mit thermodynamischen Stoffdaten korreliert.

Darüber hinaus wird in dieser Arbeit der Zielkonflikt zwischen energetischer Effizienz und akustischer Emission untersucht. Anhand einer Simulationsstudie wird gezeigt, dass die akustisch optimale Kombination aus Kompressor- und Ventilatorleistung nicht dem energetischen Optimum entspricht, sodass ein nichtlinearer Zielkonflikt zwischen den beiden Größen entsteht. Mit Hilfe der adaptiven, modellfreien Extremwertregelung können, anhand einer Zielfunktion, beliebige Zustände zwischen energetischem und akustischem Optimum realisiert werden. Diese Arbeit ist damit die Erste, die die Akustik gleichzeitig zur Energetik als zu optimierende Größe betrachtet.

Die energetischen und akustischen Auswirkungen der Extremwertregelung werden anhand eines realitätsnahen 24h-Bedarfsprofils quantifiziert. Dazu werden die optimierten Regelparameter verwendet. Im Vergleich zum Nennbetrieb kann mit der Extremwertregelung die Energieeffizienz der Anlage um 3,75% erhöht werden. Zudem können gleichzeitig die Lautstärkemissionen um bis zu 10,9dB(A) reduziert werden. Dies bedeutet eine Halbierung des subjektiven Lautstärkeeindrucks. Mit den entwickelten Verfahren kann damit sowohl der Benutzerkomfort als auch die Anlageneffizienz der Wärmepumpe erhöht werden.