Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

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1 Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Max Bartholdi Reto Wymann Viessmann (Schweiz) AG Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

2 Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Agenda Motivation Lösungsansätze für Warmwasseraufbereitung mit Wärmepumpen Chemikalien Risikoreduktions-Verordnung (ChemRRV) Kältemittelauswahl aufgrund Aufstellung und Anwendung Fragen / Diskussion Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

3 Motivation Motivation Viessmann strebt eine partnerschaftliche Zusammenarbeit an. Dazu gehört, dass man Erfahrungen zum gegenseitigen Nutzen austauscht. Ziele und Nutzen Vermeidung von unnötigen Risiken Normgerechte Umsetzung Partnerschaftliche Zusammenarbeit Weniger Zeitaufwand für die Planung Erhöhte Kundenzufriedenheit Hohe Anlagenzuverlässigkeit geringere Betriebskosten Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

4 Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Agenda Lösungsansätze für Warmwasseraufbereitung mit Wärmepumpen Chemikalien Risikoreduktions-Verordnung (ChemRRV) Kältemittelauswahl aufgrund Aufstellung und Anwendung Fragen / Diskussion Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

5 Lösungsansätze für Warmwasseraufbereitung mit Wärmepumpen Motivation Warmwasseraufbereitung, die Knacknuss bei der Planung WP-Grundsätze und Grenzen Begrenzte Vorlauftemperatur (Abhängig vom Wärmepumpen Typ: C) Je kleiner der Temperaturhub, desto besser die Effizienz Vorlauftemperatur der WP ist abhängig von: Leistung der Wärmepumpe Durchflussmenge Rücklauftemperatur Pro Kältekreis ist in der Regel nur eine Funktion möglich (Heizen oder Warmwasser) Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

6 Warmwasseraufbereitung Systeme Boiler mit innenliegendem Wärmetauscher Boiler mit aussenliegendem Wärmetauscher Speicher mit integriertem Boiler (Kombispeicher) Speicher mit Frischwassersystem WW WW WP WP KW WP WP KW Nötige Fläche Wärmetauscher: 0,4 m2/kw Heizleistung -> bis max 20kW Nötige Fläche Wärmetauscher: 0,1 m2/kw Heizleistung Eingeschränkte Zapfmenge und Bevorratung (Boilergrösse) schlechte Systemeffizienz Grösserer Puffer nötig (Auslegungsrichtlinien Lieferant beachten!) Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

7 Warmwasseraufbereitung Ladestrategie Stufenladung Gleitladung Schichtladung WW WW WW WP WP KW Nicht tauglich für Warmwasseraufbereitung (Kaltduscherschaltung) WP Höchste Effizienz KW Rücklauf zur Wärmepumpe zu Ladebeginn niedrig WP Hoher Komfort, da schnell Warmwasser zur Verfügung, Bessere Effizienz mit geregelten Umwälzpumpen gegenüber Hochhalteventil, sofern bei Trinkwasser- und Wärmepumpenkreislauf eingesetzt KW Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

8 Warmwasseraufbereitung Systemintegration Zentral WW Dezentrale Boiler Ladung mit zentraler Wärmepumpe Heizung WW Dezentrale Boiler Ladung mit dezentralen Wärmepumpen Heizung WW KW KW KW Hohe Verluste im TWW Verteilsystem Energieaufwand bis 200% durch Verteilverluste Mehraufwand (Energie) durch höhere Systemtemperaturen Alle Boiler müssen gleichzeitig geladen werden Heizungsrücklauf ist Quelle für dezentrale Wärmepumpe Geringste Verluste Kälteleistung dezentrale Wärmepumpe(n) muss für Heizleistung bei Zentrale berücksichtigt werden Zusatznutzen: Kühlung im Sommer Durchfluss durch Heizung muss ganzjährig gewährleistet sein Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

9 Warmwasseraufbereitung Regelstrategie Einflussgrössen: Temperatursensoren Position & Funktion Freigabe/Sperre durch: Timer Regelung, EVU-Sperre Position Sensor_Ein = sehr wichtig für Reserve WW Maximale Warmwasser-Temperatur -> Ladung beenden bevor Max Vorlauf Wärmepumpe erreicht; -> Wärmepumpe Vorlauf ist deutlich höher als Boilertemperatur Sensor unten (7 15 K) 30 Reserve Ein Wiedereinschalten der Wärmepumpe, wenn min 10K aufgeheizt werden kann -> Tsensor_Boiler_ein < HVmax WP-Grädigkeit Wärmetauscher-10K (Grund genügend lange Laufzeit Verdichter, evt heikel bei Zirkulation) Aus Hochhaltung nur so hoch wie nötig einstellen! Leistungsreduktion gegen Ende der Ladung -> höhere WW-Temperatur (Anzahl Verdichter reduzieren, FU) KW Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

10 Warmwasseraufbereitung Wichtige Details Strömungsgeschwindigkeit bei Boileranschlüssen ca 0,1 m/s; zu grosse Geschwindigkeit führt zu Durchwirbelung -> Abhilfe mit: Ladelanzen, horizontale Lochbleche, Prallbleche, etc Thermosyphon am Warmwasseraustritt Boiler nötig Ladesystem: ggf. Absperrventil einplanen zur Vermeidung von Fehlzirkulation Auslegung Wärmetauscher bei maximaler WP-Quellentemperatur 2.WE (E-Einsatz, Kessel) Gründe: Erreichung der gewünschten Temperatur, Sicherheit Ladung immer in Boiler (nicht direkt in Warmwasserversorgung) Mit Wärmepumpe immer direkte Ladung (nicht via Heizpuffer) -> Einbusse an Temperatur (Warmwasser) und Effizienz der Wärmepumpe, mehr Regelungsaufwand WP Ca 1/3 WW Thermosyphon WP KW Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

11 Warmwasseraufbereitung Wichtige Details Pro Kältekreis ist nur eine Funktion möglich (Heizen oder Warmwasser) -> gleichzeitg Heizbetrieb und Warmwasserladung funktioniert nicht!... Ausser mit: Heissgasenthitzer; wichtig Wasserhärte < 20 fh Warmhaltung: ideal sep. WP in Zirkulation, Zirkulation und Heizband sind energetisch gleichwertig; beide können mit Zeit- und Temperatursteuerungen optimiert werden Leistungsgeregelte WP (eingeschränkte Leistungsregelung bei maximaler Vorlauftemperatur (..und minimaler Primär Temperatur) WW 1/2 1/2 Z 100% 75 / 100% 50 / 75 / 100% 25 / 50 / 75 / 100% KW -> bei der Warmwasseraufbereitung mit Wärmepumpen kann jedes Detail wichtig sein! Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

12 Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Agenda Lösungsansätze für Warmwasseraufbereitung mit Wärmepumpen Chemikalien Risikoreduktions-Verordnung (ChemRRV) Kältemittelauswahl aufgrund Aufstellung und Anwendung Fragen / Diskussion Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

13 Chemikalien Risikoreduktions-Verordnung (ChemRRV) CO 2 CO2 Emissionen Neue ChemRRV Motivation: Anpassung an Stand der Technik Angleichung an die europäische F-Gase Verordnung Erfüllung von Internationalen Verpflichtung => Kigali Protokoll Termine: April 2019 Bundesratsbeschluss Juni 2019 Inkrafttretung Bis Januar 2020 Übergangfrist Buildings Miscell. Agriculture F Gases 5% Industry Waste Transport Gültigkeit: Für alle HFKW Kältemittel mit Treibhauspotential >10 Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group Quelle: Bundesamt für Umwelt BAFU

14 Chemikalien Risikoreduktions-Verordnung (ChemRRV) Neue ChemRRV Die Anlagen werden in neue Kategorien nach Verwendung eingeteilt: Klimakälte für Gebäude Polyvalente Systeme Heizen/Kühlen VRV Multi-Split-Klimasystem Wärmepumpe Industrie Kühl- und Tiefkühlanlagen Zusätzliche Erneuerungen: Meldepflicht wird für alle Kältemittel inkl. HFO obligatorisch Dichtigkeitskontrolle* und Kennzeichnung wird an EU Recht angepasst * Intervall für die vorgeschriebene Dichtheitskontrolle nach F-Gase VO Periode CO 2 Äquivalent Alle 12 Monate 5-50t Alle 6 Monate Alle 3 Monate t Grösser 500t Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

15 Chemikalien Risikoreduktions-Verordnung (ChemRRV) Neue ChemRRV: bei «kompakt» Geräten Verwendung (Kategorie) Klimakälte für Gebäude Kühlung Polyvalente Systeme Heizen und Kühlen Max. Kälteleistung (kw) Grenzwerte Industriekälte Wärmepumpe für Gebäude Heizung + Prozesswärme Max. Treibhauspotential GWP Kältemittel bei «dezentralen» Kühlgeräten Verwendung (Kategorie) VRV Multi-Split- Klimasystem für Gebäude Kühlung Pluskühlung Gewerbe + Industrie Minuskühlung Gewerbe + Industrie Max. Kälteleistung (kw) 80 Oder max. 40 Verdampfer Grenzwerte Max. Treibhauspotential GWP Kältemittel 2100 Max. Füllmenge kg/kw kg/kw Bei Überschreitung der max. Kälteleistung ist ein Kältemittel mit Treibhauspotential <10 einzusetzen. Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

16 Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Agenda Lösungsansätze für Warmwasseraufbereitung mit Wärmepumpen Chemikalien Risikoreduktions-Verordnung (ChemRRV) Kältemittelauswahl aufgrund Aufstellung und Anwendung Fragen / Diskussion Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

17 Kältemittelauswahl aufgrund Aufstellung und Anwendung Einfluss Kältemittelwahl auf Energieeffizienz Vergleich COP nach Kältemittelwahl bei B0/W '430 1'774 2' C 60 C C C C 80 C 80 C 80 C 60 C C Max. mögliche Vorlauftemperatur nach Kältemittel GWP kleiner 10 COP bei B0/W35 GWP Kältemittel Einfluss Kältemittel auf COP: - Vergleich R32 mit R407C: 7% - Vergleich R32 mit CO 2 : 24% Einfluss Temperaturhub Quelle / Senke viel grösser: - Quelle: pro Kelvin: 2-3% COP Änderung - Senke: pro Kelvin: 2-3% COP Änderung 3.10 R1234ze R1234yf (HFO) (HFO) R134a R513A R407C R290 (Propan) R717 (NH3) 1 1 R410A R32 R744 (CO2) Leistungsdichte Kältemittel Grösse Maschine resp. grössere Komponenten Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

18 Kältemittelauswahl aufgrund Aufstellung und Anwendung Kältemittelübersicht nach Anwendung Stand heute Alternative synthetische Kältemittel GWP (Global Warming Potential) <2100 <700 <10 Wärmepumpe (Gebäudeheizung) Alternative natürliche Kältemittel Luft-Wasser aussenaufgestellt R134a, R410A, R407C R513A, R32 R290 (Propan) Luft-Wasser Split (mit Rückkühler) R134a, R410A, R407C R513A, R32 R744 (CO 2 ) Sole-Wasser R134a, R410A, R407C R513A, R1234ze, R32 R290 Wasser-Wasser R134a, R410A R513A, R1234ze, R32 R290, R718 (Wasser) Wärmepumpe (Warmwasser) Rücklauf WP f. Warmwassererzeugung R134a R513A, R1234ze R744 (CO 2 ), R600a (Isobutan) Wärmepumpe Hochtemperatur bis 110 C Kaltwassermaschinen R245fa R1233zd R744 (CO 2 ), R600a (Isobutan) Komfort- Prozess- oder Industriekälte R134a, R410A R513A, R1234ze, R32 R290, R717 (Ammoniak), R718 (Wasser) X = zukünftige Entwicklungen Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

19 Kältemittelauswahl aufgrund Aufstellung und Anwendung Kältemittelübersicht nach Aufstellung für Wärmepumpen (EN378-1, Anhang Tabelle C2) Kategorie Zugang Klasse: Generell Aufstellung Überall in der Öffentlichkeit Max. Füllmenge Brennbar A3 Propan R290 < 150 g bei hermetischem System < 500 g ab Mitte 2019 Schwer entflammbar A2L R1234ze, R32 < 1.8 kg bei hermetischem System A Allg. Zugang Öffentliche Gebäude, Restaurant, Wohnungen, Hotels < 1.5 kg bei hermetischem System < 1.0 kg bei hermetischem System im Untergeschoss - 20% x LFL x Raumvolumen (LFL = untere Explosionsgrenze) B Überwachter Zugang C Nur befugte Personen haben Zugang Fabrikation, Büro, Personen Langzeitaufenthalt Maschinenraum od. Aussenaufgestellt < 2.5 kg bei hermetischem System* < 10 kg in einem Maschinenraum od. Aussenaufgestellt - 20% x LFL x Raumvolumen - Bei Maschinenraum od. Aussenaufgestellt keine Füllmengen Begrenzung. Bei Maschinenraum od. Aussenaufgestellt keine Begrenzung der Füllmenge. Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

20 Kältemittelauswahl aufgrund Aufstellung und Anwendung Kältemittelübersicht nach Aufstellung für Wärmepumpen (EN378-1, Anhang Tabelle C1) Kategorie Zugang Aufstellung Max. Füllmenge Klasse: Generell A Allg. Zugang Überall in der Öffentlichkeit Öffentliche Gebäude, Restaurant, Wohnungen, Hotels Giftig B2L Ammoniak R717 < 7 g Toxizitätsgrenze* x Raumvolumen B Überwachter Zugang C Nur befugte Personen haben Zugang Fabrikation, Büro, Personen Langzeitaufenthalt Maschinenraum od. Aussenaufgestellt - Toxizitätsgrenze* x Raumvolumen oder < 10 kg - Bei Maschinenraum od. Aussenaufgestellt keine Begrenzung der Füllmenge**. Bei Maschinenraum od. Aussenaufgestellt keine Begrenzung der Füllmenge**. * Praktischer Grenzwert ** Braucht behörd. Genehmigung Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

21 Kältemittelauswahl aufgrund Aufstellung und Anwendung Dokumente zum Thema Kältemittel und Aufstellung von Wärmepumpen: Energie Schweiz: Suva Merkblatt d: Download auf: Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

22 Kältemittelauswahl aufgrund Aufstellung und Anwendung Zusammenfassung / Zukunftsaussichten: GWP der Kältemittel wird in den nächsten Jahren von heute <2100, schrittweise auf <700 und <150 sinken. Dadurch werden Kältemittel brennbarer: Erhöhte Anforderung an Technik- und Maschinenräume Vermehrt aussenaufgestellte Wärmepumpen Effiziente Wärmepumpen sind auch mit «Low GWP» Kältemittel möglich. Entwicklungsschub im Bereich: Gross Luft-Wasser-Wärmepumpe Warmwasser-Wärmepumpe Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group

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24 Kältemittelauswahl aufgrund Aufstellung und Anwendung Kältemittelübersicht nach Aufstellung für Wärmepumpen Aufstellung Zugänglichkeit Kältemittel Kat. Max. mögliche Füllmenge Aussen Im Freien ausserhalb Gebäude, nicht frei zugänglich (Zaun) Nur befugte Personen (c) Sicherheitskältemittel schwer entflammbar brennbare A1 A2L A3 Keine Begrenzung giftige B2L Maschinenraum Nur befugte Personen (c) Sicherheitskältemittel schwer entflammbar brennbare A1 A2L A3 Keine Begrenzung Im Gebäude Maschinenraum mit Personen Aufenthalt überwachter Personen- Zugang (b) + Langzeitaufenthalt giftige B2L Sicherheitskältemittel A1 Keine Begrenzung schwer entflammbar A2L Keine Begrenzung brennbare A3 Max. 10 kg Füllmenge giftige B2L Keine Begrenzung Herausforderungen bei der Planung von Anlagen mit Grosswärmepumpen Viessmann Group