Supply temperature control concepts in heat pump heating systems

Aachen / E.ON Energy Research Center (2015) [Buch, Doktorarbeit]

Seite(n): XXVIII, 169 S. : graph. Darst.

Kurzfassung

Elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpen haben sich in den letzten Jahren als Wärmeerzeuger etabliert. Ihre Effizienz hängt stark vom Temperaturhub ab. Dieser wird auf der Nutzungsseite durch die Vorlauftemperatur des Heizsystems beeinflusst. Der effiziente Betrieb von Wärmepumpen mit Heizkörper-Heizungen ist aufgrund hoher erforderlicher Vorlauftemperaturen schwer zu erreichen. Deshalb werden in dieser Arbeit fortschrittliche Regelungskonzepte für Wärmepumpen-Heizsysteme untersucht, die bedarfsabhängig die Vorlauftemperatur anpassen, um einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe zu erreichen. Die Leistungsabgabe von Heizkörpernlässt sich über den Massenstrom und die Vorlauftemperatur regeln. Eine Regelung der Vorlauftemperatur wird heutzutage üblicherweise nur anhand der Außentemperatur realisiert. Es gibt jedoch auch Heizungsregelungen, die weitere Störgrößen in die Regelung der Vorlauftemperatur einbeziehen. Es erfolgt eine Untersuchung bestehender Wärmepumpen im Gebäudebestand anhand der Dateneines Feldversuchs. Der Einfluss der Wärmequelle und -senke auf die Effizienz der Wärmepumpe wird aufgezeigt. Allerdings wird auch deutlich, dass zahlreiche weitere Einflüsse berücksichtigt werden müssen. Letztere wurden analysiert und dokumentiert. Ohne Daten über die Nutzung, Raumtemperaturen und Reglereinstellungen kann das Potential des Feldversuches nicht voll ausgeschöpft werden. Modelle für die Wärmepumpe und den zentralen Pufferspeicher des Wärmepumpen-Heizsystems werden mithilfe von Feldversuchsdaten überprüft. Die Wärmepumpe wird als tabellenbasiertes Modell umgesetzt, der Pufferspeicher wird durch ein geschichtetes Fluidvolumen abgebildet. Mit den validierten Modellen und bestehenden Modellkomponenten wird ein Gesamtsystem erstellt. Dieses beinhaltet ein Gebäudemodell eines Einfamilienhauses mit neun beheizten Zonen. Verschiedene Nutzungsprofile werden definiert. Einflüsse der Nutzung, der Gebäudephysik, der Auslegung der Komponenten und der Regelung auf die Effizienz des Heizsystems und auf den thermischen Komfort werden untersucht. Insbesondere die Gebäudenutzung und der Dämmstandard haben einen starken Einfluss sowohl auf den Energiebedarf als auch auf den thermischen Komfort. Das Systemmodell wird außerdem genutzt um verschiedene Vorlauftemperatur-Regelstrategien zu untersuchen. Drei Regelkonzepte werden untersucht: Ein regelbasiertes, welches schrittweise die Solltemperatur adaptiert, ein modellprädiktives, welches für jede beheizte Zone die optimale Vorlauftemperatur errechnet und ein kontinuierliches Konzept, welches die Vorlauftemperatur über ein integrierendes Glied in Abhängigkeit der Raumtemperaturen regelt. Die Vor- und Nachteile der Regelkonzepte können durch die Simulation über die Dauer einer Heizperiode dargestellt werden. Über eine Absenkung der mittleren Vorlauftemperatur lassen sich deutliche Energieeinsparungen realisieren. Diese sind aber immer mit Einbußen im errechneten thermischen Komfort verbunden. Die mögliche Energieeinsparung hängt stark von der Gebäudehülle und Nutzereinflüssen ab. In realen Gebäuden sind zusätzliche Einsparungen möglich, die über die mit optimal parametrierten Systemen simulierten Einsparungen hinausgehen.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Huchtemann, Kristian

Gutachterinnen und Gutachter

Müller, Dirk
Olesen, Bjarne

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-942789-30-1
  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-049873
  • REPORT NUMBER: RWTH-2015-04987