Das SEPEMO-Build Projekt "SEasonal PErformance factor and MOnitoring von Wärmepumpen im Gebäudesektor

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2 Das SEPEMO-Build Projekt "SEasonal im Gebäudesektor Ziel des Projektes ist die Überwindung von Marktbarrieren zum Ausbau der Installationen von Wärmepumpen. Hierbei steht das Fehlen fundierter Messdaten von Anlagen in Europa beim Einsatz unter realen Bedingungen zur Ermittlung der Zuverlässigkeit und der Effizienz, wie der Jahresarbeitszahl (JAZ), im Fokus. Die wichtigsten Effizienz beeinflussenden Faktoren sind: a) die Leistungszahl (COP) der Wärmepumpe, b) die Qualität der Installation, c) die Planung des Systems und das Temperaturniveau des Heizkreises, d) die Isolierung der Gebäudehülle und e) die klimatischen Bedingungen am Standort der Wärmepumpe. Eine wichtige Voraussetzung für die messtechnische Untersuchung von Wärmepumpen unter realen Bedingungen sowie für die Berechnung der Jahresarbeitszahlen ist eine einheitliche Vorgehensweise bei Feldversuchen. Diese Methodik umfasst neben der Betrachtung der Effizienz der Wärmepumpensysteme auch die Einbeziehung regionaler Baustandards sowie klimatischer Gegebenheiten. Eine Hauptaufgabe ist die Definition von Bilanzgrenzen unter Einbeziehung der einzelnen Komponenten (Pumpen, Kontrollen, Wärmepumpe), deren Energiebedarf dann gemessen wird. Neben der Entwicklung von entsprechenden Vorgehensweisen ist ein weiteres Ziel dieses Projektes das bessere Verständnis für die Hauptparameter der Zuverlässigkeit und Effizienz der Wärmepumpen in Wohngebäuden. Dabei werden nationale und europäische Normen wie EN 14511, EN 255, pren und pren berücksichtigt. Ziel des Projektes ist es, eine größere Akzeptanz von Wärmepumpensystemen sowie verbesserte Qualitätsstandards zu erreichen. Das Projekt bezieht hierfür alle Arten von Wärmepumpen (Luft, Wasser und Erdreich) in Wohngebäuden mit ein. Das Projekt wird zu den übergeordneten Zielen der Energieeinsparung und Emissionsreduktion beitragen. Der Erfolg wird einen positiven Einfluss auf die Klimaund Energieziele der EU haben und so einen entscheidenden Beitrag im Rahmen der Entwicklung nachhaltiger Energiesysteme liefern. Das Projekt ist in die folgenden Arbeitspakete unterteilt: AP#1 Management AP#2: Felduntersuchungen von Luft/Wasser- und Erdreich/Wasser-Wärmepumpen - Aus bisherigen Projekten werden detaillierte Informationen zu Erdreichund Luftwärmepumpen im Gebäudebestand zusammengetragen und analysiert. Die Leiter des APs werden zusammen mit den Teilnehmern diese Informationen auswerten und zugänglich machen. Zusammen mit Messdaten aus den Felduntersuchungen werden diese Informationen dann in AP 4 und 5 als Grundlage für die Entwicklung einheitlicher Vorgehensweisen sowie Richtlinien verwendet. In der zweiten Phase ist ein internes Arbeitstreffen vorgesehen, bei dem die Verantwortlichen der Felduntersuchungen die ersten Ergebnisse und Ideen für weitere Felduntersuchungen besprechen. Die Erkenntnisse sowie Monitoring-Methoden sollen dann im weiteren Projektverlauf eingesetzt werden. AP#3: Felduntersuchung von Luft/Luft- Wärmepumpen Zuerst werden Informationen aus bisherigen Projekten mit Luft/Luft-Wärmepumpen in Wohngebäuden gesammelt und analysiert. Die Leiter des APs werden zusammen mit den Teilnehmern diese Informationen auswerten und zugänglich machen. Zusammen mit Messdaten aus den Felduntersuchungen werden diese Informationen dann in AP 4 und 5 als Grundlage für die Entwicklung einheitlicher Vorgehensweisen sowie Richtlinien verwendet. In der zweiten Phase ist ein internes Arbeitstreffen vorgesehen, bei dem die Verantwortlichen der Felduntersuchungen die ersten Ergebnisse und Ideen für weitere Felduntersuchungen besprechen. Die Erkenntnisse sowie Monitoring-Methoden sollen dann im weiteren Projektverlauf eingesetzt werden. AP#4: Entwicklung der Monitoring-Methodik - Dieses Arbeitspaket befasst sich mit der Entwicklung von Methoden und Regeln für das Monitoring von Wärmepumpen in Gebäuden sowie der Ermittlung von Jahresarbeitszahlen. Ferner wird eine Methode entwickelt, die den Vergleich von Wärmepumpen mit anderen Heizquellen ermöglicht. Diese Informationen werden dann als Grundlage für Bewertungen auf internationaler Ebene dienen, u.a. für a) Messmethodik, b) neue Demonstrationsprojekte und c) Steigerung der Systemleistung. Unter Einbeziehung der Regeln und Methoden von AP 2 und 3 werden die Messdaten von AP 4 überprüft, ausgewertet. Im Rahmen der Ergebniskommunikation wird im AP 6 das Bewusstsein geschärft, während in AP 5 die Systemqualität gesteigert werden soll. AP#5: Entwicklung von Qualitätsstandards für Wärmepumpen - Die Erkenntnisse aus AP 2, 3 und 4 werden weiter analysiert und fließen in Richtlinien für Qualitätsstandards von leistungsstarken Systemen ein. Diese Richtlinien werden dann für die Weiterbildung von Installateuren und Entwicklern verwendet. Die Erfahrung ermöglicht wiederum das Monitoring neuer Demonstrationsprojekte. Die Leiter des APs werten zusammen mit den Teilnehmern diese Informationen aus und stellen sie zur Verfügung. Sie dienen u.a. als Grundlage für die Erstellung von a) Qualitätsrichtlinien basierend auf dem Systemverhalten nach Annex VII der RES Direktive zur vollen Ausschöpfung des Effizienzpotenzials von Wärmepumpensystemen im Wohnsektor. b) Richtlinien für die Zertifizierung von Installateuren nach Annex IV der RES Direktive. AP#6 Kommunikation und Informationsverbreitung WP#7: IEE Veröffentlichungen Hierbei geht es um die Informationsverbreitung v.a. in der EU. 2

3 1. SYSTEMGRENZEN UND MESSAUSRÜSTUNG Im Rahmen des IEE Projektes SEPEMO-Build wurden Systemgrenzen und die entsprechenden Berechnungsmodelle für Jahresarbeitszahlen für den Heizund Kühlmodus von Wärmepumpen in Felduntersuchungen entwickelt. Die Systemgrenzen reichen vom Wärmepumpenkühlkreis bis zum gesamten Heizkreissystem der Wärmepumpenanlage und führen zu einer einheitlichen Systembewertung, die den Vergleich unterschiedlicher Systeme ermöglicht. Die Festlegung der Systemgrenzen hat direkten Einfluss auf die Messausrüstung, welche benötigt wird, um die Größen für die Berechnung der verschiedenen Jahresarbeitszahlen zu messen. Beschreibung der Systemgrenzen Um die Jahresarbeitszahlen für den Heiz- und Kühlmodus in Wärmepumpensystemen zu berechnen, müssen Systemgrenzen festgelegt werden. Diese Grenzen haben direkten Einfluss auf die Messausrüstung zur Ermittlung der Größen, die für die Berechnung der verschiedenen Jahresarbeitszahlen benötigt werden. Die Berechnung erleichtert außerdem eine Einschätzung der Auswirkung von Verbrauchern wie Solepumpe und Ventilator auf die Effizienz des Wärmepumpensystems. Zudem wird der Vergleich von Wärmepumpen mit anderen Heizsystemen, die bspw. Öl oder Gas nutzen, durch die Berechnung des CO 2 Reduktions- sowie des Primärenergieeinsparpotenzials ermöglicht. Ferner kann der Anteil der bereitgestellten erneuerbaren Energie durch das Wärmepumpensystem berechnet und für EUROSTAT Statistiken verwendet werden. Die Definition von Systemgrenzen beeinflusst abhängig von der Auswirkung der Hilfsantriebe auch die Ergebnisse der Jahresarbeitszahlen. Daher sollten die Jahresarbeitszahlen nach verschiedenen Systemgrenzen berechnet werden. Da die Anlagen im Heizund/oder Kühlmodus arbeiten können, werden die Systemgrenzen und die Jahresarbeitszahlberechnung in Heiz- und Kühlmodus unterschieden. Je nach Systemgrenze kann die Jahresarbeitszahl für die Kühlung, Raumheizung und Warmwasserproduktion berechnet werden. Für Wärmepumpen mit zusätzlichen Heizsystemen abgesehen von jenen mit elektrischem Heizstab - (z.b. Öl, Gas oder Biomasse) müssen Energiemenge und Energiegehalt des Brennstoffes für die Berechnung der Jahresarbeitszahl gemäß den Systemgrenzen ermittelt werden. Bei der Einbindung von thermischen Solaranlagen muss die zusätzlich benötigte elektrische Energie gemessen werden. Durch die Heizenergie, welche dem Heizsystem durch zusätzliche Heizelemente geliefert wird, kann der Anteil der Energiezufuhr durch das Wärmepumpensystem berechnet werden. Vergleich der in Richtlinien und bei SEPEMO verwendeten Grenzen Es gibt verschiedene Standards und Richtlinien für die Berechnung der Jahresarbeitszahlen. Die Berechnungsmethoden basieren dabei hauptsächlich auf Vorgaben der EN Die Systemgrenzen bei Teststandards konzentrieren sich jedoch auf den Heiz- bzw. Kühlkreis. Beim Vergleich der Testergebnisse wird die Integration des Systems jedoch nicht beachtet. Daher beinhalten diese Standards nicht den gesamten Energieverbrauch sämtlicher Verbraucher seitens der Wärmesenke und Wärmequelle. Aufgrund verschiedener Rahmenbedingungen ergeben sich Unterschiede zwischen Testverfahren im Feldversuch und am Teststand, welche sich aus Gründen der Realisierbarkeit jedoch nicht vermeiden lassen. Dennoch soll auf diese Unterschiede hingewiesen werden. Der Hauptunterschied der Evaluierungsmethoden lässt sich auf den Betrachtungsgegenstand zurückführen. Während bei Untersuchungen am Teststand der Fokus auf die Wärmepumpe selbst liegt, wird bei Felduntersuchungen die ganze Anlage betrachtet. Daraus ergeben sich unterschiedliche Systemgrenzen, welche beim Vergleich von errechneten und im Feldversuch gemessenen Jahresarbeitszahlen beachtet werden sollten. Im Rahmen des Projektes wurden folgende Unterschiede bezüglich der Nomenklatur von SPF; COP, EER; SCOP und SEER definiert: SPF Auswertung von Messdaten aus dem Feldversuch nach vorgegebenen Systemgrenzen COP/EER Messungen am Teststand nach bestimmten Standards und Richtlinien wie z.b. EN 15411, EHPA-Qualitätssigel Messtechnik Um ein einheitliches Evaluierungssystem einzuführen ist die Verwendung identischer Messausrüstung nicht zwingend erforderlich. Während den Messungen müssen jedoch die gleichen Parameter mit vergleichbarer Exaktheit aufgezeichnet werden. Der Gebrauch unterschiedlicher Messausrüstung ergibt sich aus den verschiedenen Systemgrenzen, die auch Einfluss auf die Messung der einfließenden elektrischen Energie haben. 3

4 Wärmequelle JAZ w4 JAZ W3 JAZ w2 Ventilator oder Pumpe JAZ w1 Wärmepumpe Heizstab Verteilkreisantriebe Q H_wp Q W_wp Q HW_hs E Q_vent/pumpe E HW_wp E bt_pumpe E HW_hs E B_vent/pumpe Abbildung 1: Energieflüsse und Systemgrenzen für eine Wärmepumpe im Heizmodus JAZ K3 JAZ K2 JAZ K1 Wärmesenke Ventilator oder Pumpe Kühleinheit Verteilkreisantriebe E S_vent/pumpe E KE E bt_pumpe E B_vent/pumpe Abbildung 2: Energieflüsse und Systemgrenzen für eine Wärmepumpe im Kühlmodus Daher ist es wichtig festzulegen, was genau gemessen wird, um die JAZ-Berechnungen anwenden und Informationen über die Messqualität zur Verfügung stellen zu können (Exaktheit, Messintervalle, Messausrüstungsqualität (Sensoren), etc.). Zusätzlich zu exakten Messdaten ist die genaue Integration der technischen Ausrüstung in das System von großer Bedeutung. Das SEPEMO-Build Projekt begleitet messtechnisch 45 Anlagen über den Zeitraum eines Jahres und verwendet dazu die eigens hierfür entwickelte Methodik. Zusätzlich wurde bereits in weiteren Projekten damit begonnen, die Systemgrenzen des SEPEMO Projektes zu verwenden. Daher plant auch das Fraunhofer ISE einige solcher Ergebnisse in die Auswertung einfließen zu lassen. 4

5 2. FALLSTUDIEN Am Ende des Projektes werden alle Studien (ca. 45) in die Datenbank der Projekthomepage eingepflegt. (). Einfamilienhaus in Brämhult, SCHWEDEN Hierbei handelt es sich um ein komplett saniertes Haus aus dem Jahre wurde eine 4,5 kw Erdreichwärmepumpe für Fußbodenheizung und Heizkörper installiert. Zusammen mit einer Solaranlage wird die Wärmepumpe auch für die Erhitzung des Trinkwarmwassers verwendet. Die Heizfläche des Gebäudes beträgt 98 m 2. Die Wärmepumpe wird ohne Heizstab betrieben und ist an ein Wärmeverteilsystem ohne Pufferspeicher angeschlossen. Die spezifische Heizlast des Gebäudes beträgt 75 W/m 2. Das System wurde auf eine Vorlauftemperatur von max. 35 C ausgelegt (Rücklauftemperatur 30 C). Im kompletten Gebäude ist eine Fußbodenheizung verlegt. Im Haushalt leben 2 Erwachsene und 2 Kinder. Das Haus wurde 1946 mit 1 ½ Stöcken gebaut, mittlerweile jedoch 2-stöckig ausgebaut. Das Gebäude ist schlecht isoliert, jedoch wurde das Dach nachträglich isoliert. Die Fenster sind 3-fach verglast. Geheizt wurde vor der Wärmepumpeninstallation 2005 mit Öl. Das Haus wird mittels Fußbodenheizung und Heizkörpern durch eine 4,5 kw Erdreichwärmepumpe beheizt. Die Wärmepumpe wird gemeinsam mit einer 6,6 m 2 Solaranlage für das Trinkwarmwasser, die 2008 installiert wurde, betrieben. Der Wassertank fasst 270 Liter. Die Wärmepumpe enthält einen Heizstab mit 8,8 kw. Einfamilienhaus in Marck (1), FRANKREICH Dieses Einfamilienhaus liegt im Norden Frankreichs. Das Gebäude wurde 2009 gebaut und wird seit Juni 2010 bewohnt. Die Sole/Wasser- Wärmepumpe wird ausschließlich zum Heizen verwendet und ist an eine Tiefensonde angeschlossen. Die Wärmepumpe besitzt eine Nennwärmeleistung von 6,1 kw. Der COP-Wert der Wärmepumpe liegt bei 4,3 für 0 C / 35 C. Als Kältemittel werden 1,05 kg von R410A verwendet. Die Wärmepumpe ist mit einem Scroll-Verdichter ausgestattet. Der Erdreichwärmetauscher besteht aus einer 95 m tiefen Doppel-U-Sonde. Hotel "Amalia" in Nea Tirintha, GRIECHENLAND Das Hotel Amalia mit einer Gesamtfläche von 8980 m 2 befindet sich in Kaminia, Nea Tirintha in der Nähe von Nauplio, Peloponnes, Griechenland. Das Gebäude wurde in den Jahren saniert und wird von einem Open-Loop Wärmepumpensystem beheizt und gekühlt. Die Heiz- und Kühlverteilsysteme in den Gebäuden bestehen aus Ventilatorkonvektoren. Die Heiz- bzw. Kühllast beträgt 704 kwth bzw. 566 kwc. 5

6 Die Gesamtkosten dieser Investition beliefen sich auf Im Detail: Die Wärmepumpenanlage besteht aus zwei Saugbrunnen für halbsalziges Grundwasser, zwei Schluckbrunnen (je 60 m tief), zwei Titan- Wärmetauschern und zwei in Kaskade geschalteten elektrischen Wasserwärmepumpen. Bei den Wärmepumpen (HAUTEC, Typ HWW-PN- 294/4*), beide mit je 352 kw Nennleistung, handelt es sich um Wasser/Wasser-Wärmepumpen zu Heiz- und Kühlzwecken, die monoenergetisch betrieben werden. In beiden Wärmepumpen wird das Kühlmittelgemisch R407C verwendet, welches nicht zum Ozonabbau beträgt, ungiftig und nicht brennbar ist. a) 4 Wasserquellen (je 60m tief) b) 2 Wasser/Wasser-Wärmepumpen (HAUTEC, Typ HWW-PN-294/4*) c) Bohrlochpumpen - Umlaufsystem d) Wärmetauscher (Ti HAUTEC, Typ T50M HV-23-CDS-10) e) Rohre zusätzlicher Tank - Elektrizität f) Prüfung - Installation, Elektriker und hydraulische Arbeiten Die Gesamteinsparungen belaufen sich auf Zusätzlich werden kgco 2 eingespart. Nach diesen Zahlen wird sich die Anschaffung in 4,68 Jahren amortisiert haben bei einer geschätzten Laufzeit des Systems von 30 Jahren. Amortisation: / = 4.68 Jahre. Finanzielle Unterstützung: Das Projekt wurde finanziell von der 3rd Community Operational Framework - Development Law (40%) unterstützt. Ein-/Zweifamilienhaus in Mödling, ÖSTERREICH Das Haus wurde 1929 gebaut und im Jahr 2009 nach den Standards für Niedrigenergiehäuser (< 50 kwh/(m²a)) saniert. Dadurch konnte ein Wärmepumpensystem integriert werden. Auf der Quellenseite betragen die Vor- bzw. Rücklauftemperaturen beim Kühlen 22/26 C (WP1) und 25/29 C (WP2). Beim Heizen beläuft sich die Temperatur auf 12/8 C (WP1) und 8/4 C (WP2). Die Heiz- und Kühltemperatur beträgt 40 C bzw. 7 C. Zurzeit werden 150 m² des Gebäudes bewohnt und beheizt, da jedoch in der Zukunft 290 m² beheizt werden sollen, wurde das System für den künftigen Bedarf ausgelegt. Nach zwei Jahren ( ) konnten durch die technischen Neuerungen des Hotels Amalia schon wichtige Energie- und Kosteneinsparungen festgestellt werden. Es zeigten sich durchweg positive Auswirkungen auf: Betriebskosten, Wartung, Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und Betriebskontinuität. 6

7 Die Wärmesenke besteht aus Fußboden- und Wandheizumg sowie Radiatorheizkörpern. Die Fuß- und Wandheizung wird zusätzlich zur passiven Kühlung im Sommer verwendet. Das System wurde so ausgelegt, dass zukünftige Solarkollektoren und ein Holzofen integriert werden können. Ferner wurde eine 9,946 kwp Photovoltaikanlage auf dem Dach installiert. Das Wärmepumpensystem verfügt über 3 Erdsonden, der Wärmepumpe und einem Kombispeicher für Heizung und Trinkwarmwasser. Zudem kann die Wärmepumpenanlage im Sommer zur passiven Kühlung verwendet werden. Mehrfamilienhaus in Zoetermeer, NIEDERLANDE Oosterheem Heemburgh ist Teil eines neuen Wohnbauprojektes in Zoetermeer, Niederlande. Das gesamte Projekt sieht Familienunterkünfte mit Schulen und Geschäften vor. Der für das SEPEMO-Projekt vorgesehene Teil besteht aus 57 Einfamilienhäusern und 158 Wohnungen. Die Raumheizung sowie kühlung wird hierfür durch ein gemeinsames Heiz- und Kühlspeichersystem sowie Wärmepumpen bereitgestellt. Die 57 Einfamilienhäuser verwenden separate Wärmepumpen. Seit diese Anlagen in Betrieb sind, stieg aufgrund geringer Effizienzwerte der Bedarf am Monitoring dieser Anlagen stark an. Das Projekt besteht aus einem kollektiven Wärmepumpensystem für 158 Wohnungen und individuellen Wärmepumpen mit gemeinsamer Wärmequelle für 57 Einfamilienhäusern. Die Installation der kollektiven Wärmepumpenanlage ist in 4 Räumen untergebracht und verfügt über zwei Dachkollektoren zur Regeneration der Wärmequelle. Gasboiler werden für Spitzenlasten sowie zur Bereitung von Trinkwarmwasser verwendet. TR1-1 gemeinsame WP: Techneco, Ochsner mit 75 kw 2 Gasboiler mit 85 kw TR2-2 gemeinsame WP: Techneco, Ochsner mit 75 kw 3 Gasboiler mit 85 kw Dachkollektor zur Regeneration TR13-2 gemeinsame WP: Techneco, Ochsner mit 75 kw. 4 Gasboiler mit 3 x 85 kw und 1 x 65 kw Dachkollektor zur Regeneration TR4-1 gemeinsame WP: Techneco, Ochsner mit 75 kw. 2 Gasboiler mit 85 kw In den Einfamilienhäusern gibt es zwei Arten von Wärmepumpen für Raumheizung und Trinkwarmwasser mit Speichertank. Techneco Toros TTBW5.7 mit einer Heizkapazität 5.1 kw Techneco Toros TTBW9.7, mit einer Heizkapazität von 7.9 kw Referenzen Karytsas C., Paskalis A. (2007). "Installation of heating and cooling geothermal system in the Hotel "Amalia" in place Kaminia, Municipality of Nea Tirintha, Prefecture of Argolis". Studie zur Durchführbarkeit. Zottl A., Nordman R. (2010). SEPEMO-System boundaries and measurement equipment. European Heat Pump NEWS, Ausgabe 11, Nr. 2, S. 2, August Bei den Wärmepumpen handelt es sich um Erdreichwärmepumpen mit einem gemeinsamen Kreislaufsystem zur Kälte- und Wärmespeicherung. Kapazitäten: Heizwärmekapazität: 2037 MW bei 7,5 o C und einem Wasserdurchfluss von m 3. Kühlkapazität: 2037 MW bei 20,0 o C und einem Wasserdurchfluss von m 3. Nordman R. (2010). SEPEMO build. Field test sites in Europe. European Heat Pump NEWS, Ausgabe 11, Nr. 3, S. 4, November Polyzou O. (2010). SEPEMO measurements in Greece. Installation sites in Greece with measurements ready to proceed. European Heat Pump NEWS, Ausgabe 11, Nr. 3, S. 5, November Projektwebseite: 7

8 Projekt-Koordinatoren: Technical Research Institute of Sweden (SP) SWEDEN European Heat Pump Association (EHPA) BELGIUM Austrian Institute of Technology (AIT) AUSTRIA EDF - Departement ENERBAT FRANCE FIZ Karlsruhe GERMANY Agentschap NL AgencyNL NETHERLANDS Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme GERMANY Centre for Renewable Energy Sources and Saving (CRES) GREECE Center for Energy and Processes, Mines ParisTech FRANCE Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) FRANCE Schrisfstellerin Dr. Olympia Polyzou CENTRE FOR RENEWABLE ENERGY SOURCES AND SAVING - CRES GREECE Telephone: pololi@cres.gr Editor Dr. Olympia Polyzou CENTRE FOR RENEWABLE ENERGY SOURCES AND SAVING - CRES GREECE Telephone: pololi@cres.gr Datum: 2011 EC Vertrag Projekt-Koordinator SP Technical Research Institute of Sweden Box 857, Borås SWEDEN Dr. Roger Nordmann Tel.: +46 (0) roger.nordman@sp.se Haftungsausschluss Die alleinige Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den AutorInnen. Es gibt nicht die Meinung der Europäischen Kommission. Die Autoren und der Europäischen Kommission sind nicht verantwortlich für jegliche Verwendung der darin enthaltenen Informationen vorgenommen werden können. Project SEPEMO-Build Contract No.: " SEasonal PErformance factor and MOnitoring for heat pump systems in the building sector " Project supported by The European Commission