SEPEMO-Build. QUALITÄTSTAGE 2012 Wien, SEasonal PErformance factor and MOnitoring for heat pump systems in the building sector

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1 SEPEMO-Build SEasonal PErformance factor and MOnitoring for heat pump systems in the building sector QUALITÄTSTAGE 2012 Wien, Andreas Zottl Energy Department Sustainable Thermal Energy Systems

2 Inhalte SEPEMO Projektvorstellung Entwicklung einer einheitlichen Methodik für Feldmessungen und Analyse der Messergebnisse SEPEMO Homepage

3 SEPEMO Projektvorstellung Inhalte, Ziele, Ergebnisse des Projektes

4 SEPEMO-Build Partner Project lead partner SP Technical Research Institute of Sweden Box 857, Borås, Sweden Project Coordinator Roger Nordman Tel.: SenterNovem Electricité de France R&D Armines European Heat Pump Association Austrian Institute of Technology Fraunhofer ISE Fachinformationszentrum Karlsruhe Centre Scientifique et Technique du Bâtiment Centre for Renewable Energy Sources and saving

5 SEPEMO-Build Projektziele Überwindung von Marktbarrieren für den breiteren Einsatz von Wärmepumpen, durch verlässlichere Daten von realen Anlagen unter realen Bedingungen, die die Betriebssicherheit und die jährliche Effizienz, z.b. die Jahresarbeitszahl von Anlagen in ganz Europa widerspiegeln. Entwicklung einer einheitlichen Methode für Feldmessungen (Monitoring) von Wärmepumpenanlagen, eine einheitliche Berechnung der JAZ und einheitliche Beurteilung der Anlagen. Dazu müssen neben der Effizienz der Wärmepumpen auch die regionalen Gebäudestandards und klimatischen Bedingungen betrachtet werden. Besseres Verständnis der Einflussfaktoren auf die Betriebssicherheit und Effizienz von Wärmepumpenanlagen in Wohnbauten und verbesserte Qualitätssicherung von Wärmepumpenanlagen im Gebäudesektor. Das Projekt behandelt alle Wärmepumpentypen (Luft, Wasser und Erdreich) für den Wohnbau

6 SEPEMO-Build Ergebnisse Projektergebnisse dienen als Input für vorgeschlagene JAZ in der RES- Direktive und für EUROSTAT-Statistiken Verbesserter Einblick in Systemkonzepte und deren unterschiedliche Anlageneffizienz Unterstützung der RES-Direktive bei der Entwicklung neuer Leitfaden zur Qualitätssicherung von Anlagen Benchmark für die EuP-Direktive, einerseits für die Berechnung der Primärenergie-Effizienz von Wärmepumpen und andererseits für die Definition von Grenzwerten für das Labelling

7 SEPEMO-Arbeitspakete 6 Workshops Seminars Good examples Guidelines 5 Developing guidelines 2 GSHP/ASHP 3 Air/Air 4 Common methodology Experience existing methods 2 GSHP/ASHP 3 Air/Air 1 Management work flow

8 SEPEMO - Arbeitspaket 4 Entwicklung einer einheitlichen Methodik für Feldmessungen und Analyse der Messergebnisse

9 Warum ist die einheitliche Methodik wichtig? In der Vergangenheit wurden in der Schweiz, Deutschland, Österreich, Großbritannien, Schweden, Frankreich,. Feldmessungen durchgeführt die Ergebnisse der unterschiedlicher Messkampanien können auf Grund unterschiedlich gewählter Methoden nicht verglichen werden! FAWA Studie (CH) ISE Feldmessungen AIT Feldmessungen

10 SEPEMO-Diskussionspunkte für einheitliche Methodik Systemgrenzen (UP, el. Heizung, ) Haupteinflüsse auf die Systemeffizienz Klima Auslegung (Auslegungs- / tatsächliche Innentemp.) Benutzerverhalten (Umgang mit Benutzerverhalten?) Qualität der Messung Messgenauigkeit Datenerfassungsintervall Messtechnik (Sensoren) minimale Ausstattung (Automatisierung, ) Messung ohne Systembeeinflussung Richtige Integration/Auswahl der Messtechnik (WMZ) Volumenstrommessung bei Kompaktgeräten Vergleich mit herkömmlichen Systemen (Öl, Gas, Pellets, )

11 SEPEMO - Inhalte Arbeitspakt 4 Task Entwicklung eines Leitfadens für das Monitoring Was soll gemessen werden (Mindestanforderungen) Qualität der Messung (Anforderungen an die Messtechnik) Task 4.2 Berechnung und Analyse der JAZ Vergleich der Wärmepumpensysteme mit herkömmlichen Heizungssystemen z.b.: Öl, Gas Ermittlung des Einsparungspotentials von Primärenergie und CO 2 -Emissionen Task Betriebsparameter und Rahmenbedingungen Analyse des Einflusses der Betriebsparameter und Rahmenbedingungen auf das System Möglichkeiten für den Vergleich von Feldmessungen unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen

12 SEPEMO - D4.1 Leitfaden für Feldmessungen von installierten Wärmepumpensystemen

13 D4.1. Leitfaden für Feldmessungen von installierten Wärmepumpensystemen D4.1 guideline for heat pump field measurements gibt Informationen über Was & Wie gemessen werden muss Für eine einheitliche Anaylse der Anlagen Zwei Leitfäden hydraulische Wärmeabgabessysteme Luft/Luft-Systeme Haupteile des Leitfadens Einheitlicher Monitoring-Ablauf Fragebogen Messdaten Qualitätssicherung Integration-Messequipment

14 Inhalte Leitfaden für Feldmessungen Einheitlicher Monitoring-Ablauf Messperiode Systemgrenzen (siehe D4.2) Heizbetrieb Kühlbetrieb Fragebogen Betreiber/Installateur Logbook Fragebogen (Systembeschreibung) Messdaten Einheitliche Messstrategie Mindest Ergebnisse Messparameter Messintervall

15 Platzierung Sensorik für unterschiedliche Systemgrenzen T T H H T H indoor T E T E E T T E H T E H T T outdoor mandatory sensors optional sensors T Temperature sensor T Temperature sensor E Electricity meter E Electricity meter H Heat meter H Heat meter

16 SEPEMO Mindestanforderung an die Darstellung der Messergebnisse A/W DX/W B/W W/W Electric energy input total kwh x x x x Electric energy input backup heater kwh x x x x Electric energy input pumps/fans heat source side kwh x x x x Electric energy input pumps/fans heat sink side kwh x x x x Energy output heating / cooling kwh x x x x Energy output DHW kwh x x x x SPF2 - x x x x SPF3 - x x x x Average supply temperature heat sink* C x x x x Average return temperature heat sink* C x x x x Average supply temperature DHW* C x x x x Average return temperature DHW* C x x x x Average supply temperature heat source* C x x Average return temperature heat source* C x x Average outdoor temperature* C x x x x Average indoor temperature* C x x x x *during operation of the unit

17 Qualitätssicherung Messgenauigkeit und Auflösung Kalibrierung Datenqualität < 10% Datenausfall in einiem Monat < 5 % Datenausfall für die ganze Messperiode (Jahr) Datenübertragung Messunsicherheitsberechnung measuring Measurement Accuracy Resolution Electricity consumption ±2% 1 imp/wh compressor Electricity consumption ±2% 10 imp/wh auxiliary drives Heat output ±2% 1 imp/wh fluid temperatures ±0.15 C 0.01 C Internal air temperatures ±0.4 C 0.1 C External air temperatures ±0.4 C 0.1 C logging interval SEPEMO logging interval operation interpretation interval A/W 5 s 1 min. 1 min. DX/W 5 s 10 min. 1 min. B/W 5 s 10 min. 1 min. W/W 5 s 10 min. 1 min.

18 Integration-Messequipment Temperatur flüssige Wärmeträgermedien (Wasser, Sole, ) Außenluft Raumluft Wärmemengen-/Durchflussmessung Elektrische Energie Luftfeuchtigkeit Druck

19 Einbauempfehlung für WMZ Wärmepumpe WMZ Auf Flussrichtung achten In Rücklaufleitung einbauen Die Temperaturmessstellen beachten

20 Einlauflängen des WMZ lt. EN

21 Temperaturmessstellen - Einbau

22 Einbau Richtig (1)

23 Einbau Richtig (2)

24 Einbau Richtig (3)

25 Einbau Falsch (1)

26 Einbau Falsch (2)

27 Konsequenzen bei falscher Auswahl Meßunsicherheit Veränderung der Anlagenkennlinie Auswirkungen auf JAZ (>dt, >Tkond., <JAZ)

28 [m] 6 5,6 5,2 4,8 4,4 4 3,6 3,2 2,8 2,4 2 1,6 1,2 0,8 0,4 Contract No.: IEE/08/776/SI ohne WMZ mit WMZ 1 mit WMZ 2 Δp WMZ bar - 0,1 0,2 Heizleistung kw 10,00 10,00 10,00 ΔT K 6,00 7,18 8,20 Volumenstrom m³/h 1,44 1,20 1,05 Förderhöhe m 3,35 3,75 3,90 Rücklauf C 25,00 25,00 25,00 Vorlauf C 31,00 32,18 33,20 Tmittel C 28,00 28,59 29,10 Tkond. C 33,00 33,59 34,10 COP Carnot B0-9,28 9,13 9,01 COP B0-4,36 4,29 4,23 Abweichung % - -1,6-3,0 Förderhöhe min. 1 ohne Wärmemengenzähler min. max.. max. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 [m³/h]

29 Einfluss auf die Effizienz der Anlage Annahme: t o = -10 C konst. Veränderung der Kondensationstemperatur um +1K Kälteleistung - 1,0% Kondensatorleistung - 0,5% Elektr. Leistung +2,0% Leistungszahl - 3,0%

30 SEPEMO - D4.2 Definition der Berechnungsmethode für die Jahresarbeitszahl

31 D4.2. Definition der Berechnungsmethode für die Jahresarbeitszahl D4.2.- Concept for evaluation of SPF Beschreibt eine einheitliche Berechnungsmethode von SPF aus Feldmessungen Berücksichtigt den Einfluss der Hilfsantriebe je nach Systemgrenze die gewählten Systemgrenzen ermögliche den Vergleich von Wärmepumpenanlagen mit unterschiedlichen Heizungssystemen Basierend auf diesen Systemgrenzen wird in D4.1.- guideline for heat pump field measurements die Anforderungen an das Monitoringequipment definiert

32 Systemgrenzen - Heizbetrieb SPFH4 SPFH3 SPFH2 heat pump SPFH1 hot water tank space heatig buffer tank heat source SPF H4 SPF H3 SPF H2 fan or pump SPF H1 heat pump Back-up heater building fans or pumps Q H_hp Q W_hp Q HW_bu E S_fan/pump E HW_hp E bt_pump E HW_bu E B_fan/pump SPFH2: Diese Systemgrenze entspricht SCOPNET in der pren und den Anforderungen in der RES-Directive. SPFH3: Für den Vergleich mit herkömmlichen Systemen. Die Systemgrenzen entsprechen der VDI , EN und dem SCOPON in der pren SPF SPF SPF H1 H 2 H 3 Q = H _ hp E Q = E Q = E + Q HW _ hp H _ hp S _ fan / pump H _ hp S _ fan / pump W _ hp + Q + Q W _ hp + E W _ hp + E HW _ hp + Q HW _ hp HW _ bu + E HW _ bu SPF H 4 = E S _ fan / pump + E Q H _ hp HW _ hp + Q + E W _ hp bt _ pump + Q HW _ bu + E HW _ bu + E B _ fan / pump

33 Beispiel: Wärmepumpensystem mit el. Backup

34 Systemgrenzen - Kühlbetrieb SPF C3 SPF C3 SPF C2 SPF C1 cooling unit space cooling buffer heat sink SPF C2 fan or pump SPF C1 cooling unit building fans or pumps E S_fan/pump E CU E bt_pump E B_fan/pump Q SPF C1 = E SPF C 2 = E C CU Q C S _ fan / pump + E CU SPF C3 = E S _ fan / pump + E CU Q C + E bt _ pump + E B _ fan / pump

35 Vergleich Systemgrenzen in Normen/Richtlinien und Monitoring Die meisten Berechnungsverfahren für die Ermittlung von SCOP und SPF basieren auf den ermittelten COP gemäß EN14511: diese Norm ist auf das Gerät fokussiert Die Hilfsantriebe werden nur anteilsmäßig berücksichtigt Die Systemgrenzen für Prüfstandsmessungen sind leicht unterschiedlich zu den Systemgrenzen für Feldmessungen => das muss beim Vergleich von SCOP und SPF berücksichtigt werden.

36 Unterscheidung SPF-COP-SCOP SPF Berechnung aus Messdaten von Feldmessungen gemäß definierten Systemgrenzen COP/EER Prüfstandsmessungen gemäß Normen und Reglements wie z.b.: EN 15411, EHPA-Quality label SCOP/SEER Berechnung mit Messdaten aus Prüfstandsmessungen Seasonal Performance Factor Jahresarbeitszahl COP Leistungszahl SCOP Seasonal COP Jahresleistungszahl

37 Verwendung der SPF in SEPEMO SPF H2 für Richtlinie 2009/28/EG und EUROSTAT heat source SPF H2 fan or pump heat pump Q H_hp Q W_hp E S_fan/pump E HW_hp SPF H3 Für den Vergleich unterschiedlicher Heizungssysteme heat source SPF H3 fan or pump heat pump Back-up heater Q H_hp Q W_hp Q HW_bu E S_fan/pump E HW_hp E HW_bu

38 Wärmepumpen in der Richtlinie 2009/28/EG bzw. EUROSTAT

39 Ermittlung der genutzten Umweltwärme durch Wärmepumpen (Richtlinie 2009/28/EG) E RES 1 = Q usable * 1 SPF Nur Wärmepumpen, für die SPF >1,15 *1/ η, werden berücksichtigt E RES... erneuerbare Energie Q... durch die Wärmepumpen erzeugte gesamte Nutzwärme usable SPF... Jahresarbeitszahl η... Verhältnis zwischen gesamter Bruttoelektrizitätserzeugung zu Primärenergieverbrauch für die Elektrizitätserzeugung (EU-Durchschnitt) bei η = 40,0 % => SPF > 2,875 bei η = 43,8 % => SPF > 2,626 Der Anteil an erneuerbarer Energie am Gesamtenergiebedarf kann durch den vermehrten Einsatz von Wärmepumpen relevant gesteigert werden. Dabei wirkt sich die Primärenergieeinsparung und gleichzeitige Erhöhung der Menge an Umweltenergie in zweifacher Weise positiv auf das Verhältnis von erneuerbarer Energie zu Gesamtenergiebedarf aus

40 Beispiel - Monitoring Ergebnisse in Abhängigkeit von Systemgrenzen (1) Untersucht wurden 10 typische erdreichgekoppelte Wärmepumpenanlagen in Einfamilienhäusern im Leistungsbereich von 8 bis 12 kw alle Anlagen arbeiten im Heizbetrieb und Warmwasserbetrieb 3 Anlagen (Nr. 8, 9 und 10) werden mit einem Sole-Flachkollektor betrieben 4 Anlagen (Nr. 1 bis 7) werden mit Erdwärmesonden betrieben Anlagen Nr. 1, 6, 7 und 10 sind mit einer elektrischen Zusatzheizung ausgestattet

41 Beispiel - Monitoring Ergebnisse in Abhängigkeit von Systemgrenzen (2) Wärme bereitgestellt von der WP und der el. Zusatzheizung elektrischer Energieverbrauch von der Wärmepumpe und den Hilfsantrieben Da nur 4 Anlagen mit el. Zusatzheizung betrieben wurden, liegt der Anteil der Wärmebereitstellung durch die Wärmepumpe zwischen 95.5 % und 100 %. der Anteil der Hilfsantriebe am gesamten elektrischen Energieverbrauch liegt zwischen 8 % und 27 %.

42 Beispiel - Monitoring Ergebnisse in Abhängigkeit von Systemgrenzen (3) Durchschnittliche Betriebstemperaturen der Wärmequelle und Wärmesenke SPF für unterschiedliche Systemgrenzen Die meisten Anlagen werden im Heizbetrieb mit VL-Temperaturen < 35 C betrieben. Nur die Anlagen 3 und 5 werden mit VL- Temperaturen > 40 C betrieben. Die Anlagen 1 und 7 zeigen den größten Unterschied zwischen SPFH1 und SPFH4. Diese Anlagen weisen auch den größten Anteil an el. Energie für den Betrieb der Hilfsantriebe auf.

43 Wichtig für die Darstellung von Jahresarbeitszahlen Die Jahresarbeitszahl ohne Zusatzinformationen ist nur die halbe Wahrheit Wichtig sind daher folgende die Angaben Systemgrenzen Messperiode Betriebsmodi Heizen/Warmwasser/Kühlen JAZ [-] Anlagen Gesamt Heizung Brauchw asser Betriebstemperaturen (Wärmequelle/-senke) Raumtemperatur JAZ [-] Außentemperatur 2 1 Gebäudetype/-klasse [K]

44 SEPEMO - D4.3 Ökologischer Vergleich mit herkömmlichen Heizungssystemen

45 Berechnungsmethode - Ökologischer Vergleich

46 Vergleich Wärmepumpe herkömmliche Systeme Primärenergieverbrauch CO2-Emissionen

47 SEPEMO Home Page Projektinhalte Ergebnisse Feldmessungen Best Practise Database

48 SEPEMO home page -

49 Contract No.: IEE/08/776/SI SEPEMO Field Test Sites

50 Contract No.: IEE/08/776/SI SEPEMO Field Test Sites

51 AIT Austrian Institute of Technology your ingenious partner DI (FH) Andreas Zottl