Active thermal management for residential air source heat pump systems

Aachen / E.ON Energy Research Center (2016) [Buch, Doktorarbeit]

Seite(n): XIX, 137 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Durch seinen hohen Anteil am Endenergieverbrauch gehört das Hausenergiesystem in Europa zu einem der Kernelemente des zukünftigen Energiesystems. Die laufenden Entwicklungen für das intelligente Haus von morgen führen zu neuen Anwendungen, die im Zuge eines steigenden Anteils erneuerbarer Energien im Stromnetz an Bedeutung gewinnen. Dazu zählen die „Demand-Response“- und die „Demand Side Management“-Technik. Durch ein geschicktes Lastmanagement können mit diesen Verfahren potentielle Versorgungsengpässe durch die volatile Einspeisung erneuerbarer Energien zum Teil oder vollständig kompensiert werden. Diese Flexibilität kann auchfür die Betriebsführung der hausinternen Energiewandler eingesetzt werden. Eine optimierte Betriebsstrategie des Hausenergiesystems führt sowohl zu einer besseren Nutzung lokal erzeugterals auch extern generierter regenerativer Energien. Damit können CO2-Emissionen und Betriebskosten reduziert werden. Die eingesetzten Verfahren dürfen allerdings nicht den thermischen Komfort der Nutzer verschlechtern. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe ist ein Wärmeerzeuger, der durch die Nutzung der Umweltwärme als ein zukunftsfähiges Versorgungssystem für Wohngebäude angesehen werden kann. Dieser Typ Wärmepumpe hat im Bereich der Einfamilienhäuser die höchsten Zuwachsraten im europäischen Wirtschaftsraum, da die Auslegung, die Installation und die Inbetriebnahme einfach durchzuführen sind. Da Strom als Energieträger eingesetzt wird, sind die Möglichkeiten der intelligenten Stromnetze der Zukunft für diese Energiewandler sehr bedeutsam. In dieser Arbeit werden aktive Laststeuerungsstrategien für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe untersucht, in einen Algorithmus umgesetzt und anhand von Testtagen in einem Hardware-in-the-Loop Prüfstand bewertet. In Kapitel 1werden der Stand der Technik und die Entwicklungstendenzen im Bereich der Hausenergiesysteme vorgestellt. Auf Basis einer Anforderungsanalyse und dem Stand der Technik wird ein Lösungsansatz von der Konzipierung bis zur Validierung des aktiven Hausenergie-Management-Systems in Kapitel 2 hergeleitet. Die zu nutzende Hardwareplattform, die aus einer modernen Luft-Wasser-Wärmepumpe und einem Trinkwarmwasserspeicher besteht, wird, in Verbindung mit einem typischen Einfamilienhaus, detailliert in Kapitel 3 beschrieben. Für dieses Gesamtsystem werden die Ideen und die technischen Implementierungen für ein aktives Energiemanagement in Kapitel 4 und 5 dargestellt. Dabei werden adaptive Verfahren für die Modellierung der Systemkomponenten eingesetzt, so dass eine hohe Vorhersagegenauigkeit des Systemverhaltens für eine modellprädiktive Regelung der Wärmepumpe erreicht werden kann. Ein wesentlicher Teil dieser Arbeit ist die Entwicklung des genutzten Hardware-in-the-Loop-Prüfverfahrens (HiL) für die Luft-Wasser-Wärmepumpen. Mit diesem Verfahren kann die Leistungsfähigkeit eines wärmeerzeugenden Systems unter dynamischen und realitätsnahen Randbedingungen im Labor bewertet werden. Der Aufbau und das Funktionsprinzip der HiL-Plattform werden in Kapitel 6 vorgestellt. Bei dieser Plattform handelt es sich um ein multi-physikalisches Emulationssystem, welches die Einbindung unterschiedlicher Komponenten und Regler auf der hydraulischen und Signalebene erlaubt. Die quantitative Bewertung des aktiven Hausenergie-Management-Systems wird in Kapitel 7 dargestellt. Es zeigt sich, dass mit dem neuen Verfahren eine sinnvolle Steuerung für den Betrieb einer Luft-Wasser-Wärmepumpe entwickelt werden konnte, welche die Anforderungen einer Demand-Response-Technik erfüllt ohne den thermischen Komforts des Nutzers einzuschränken.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Chen, Kan

Gutachterinnen und Gutachter

Müller, Dirk
Monti, Antonello

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-942789-34-9
  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-019730
  • REPORT NUMBER: RWTH-2016-01973