Hocheffiziente Wärmepumpen Solar Systeme. Entwicklungen im EU Projekt MacSheep

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1 Hocheffiziente Wärmepumpen Solar Systeme Entwicklungen im EU Projekt MacSheep Leiter Forschung Institut für Solartechnik SPF Hochschule für Technik Rapperswil

2 Das SPF stellt sich vor Ein Institut der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR, FHO) Kompetenzzentrum für Solarenergie seit 34 Jahren (seit 1981) 38 Mitarbeiter, davon 24 af+e 95% über Drittmittel finanziert, ca. 1.5 Vollzeitstellen über HSR-Lehre Indoor Sonnensimulator am SPF Prof. M. Rommel Institutsleiter S. Brunold Stv. Institutsleiter A. Bohren Testing M. Haller Forschung Ch. Biba Photovoltaik 2

3 Einige Kernthemen Solarwärme zert. Prüflabor, CH-Kompetenzzentrum Photovoltaik mobiles Messlabor Wärmepumpen + Solarenergie IEA Subtask-Leitung, EU Projekt MacSheep Optik Messlabor Thermische Speicher thermische Schichtung, Sorption Systeme und Netze Anergienetze, Solare Wärmenetze Industrielle Prozesswärme und kälte Energieeffizienz, Solare Prozesswärme 3

4 Übersicht Credo im Projekt MacSheep: Nicht jede gut gemeinte Idee ist kosteneffizient! Wir rechnen zuerst, und entwickeln nur dort wo es sich kostenmässig lohnt! 4

5 Übersicht Projekt MacSheep: Ziele, Partner Auwahl lohnenswerter Entwicklungen Vier Entwicklungslinien von MacSheep Einblick in eine der vier Entwicklungslinien Resultate Fazit & Ausblick 5

6 Ziele, Partner, Laufzeit... Projekt-Gegenstand Entwicklung von Solar-Wärmepumpen Heizsystemen für Warmwasser und Raumwärme für Ein- und Zweifamilienhäuser Ziel 25% Einsparung an elektrischer Energie gegenüber dem Stand der Technik Laufzeit (4 Jahre) 6 Czech Technical University in Prague

7 Systematische Analyse des Systems! Die Gretchenfrage: Was bringen neue «features» von Komponenten für die System-Performance??? Speicherschichtung und integration? Warmwasser Phasenwechselmaterial? Wärmespeicher Vakuumisolation? Thermisch oder PVT? Selektive Schichten? Nutzung von Umgebungswärme? M Zusammenspiel der Komponenten? Intelligente Regelkonzepte? Nutzung von zwei Quellen? Enthitzerschaltung? Wärmepumpe Leistungsregelung? Economizerschaltung? M M M Air Solarkollektoren Raumheizung 7

8 Projekt Zeitplan Phase Phase Analyse Neuer Entwicklungen Wissenststand und Modelle Kosten-Nutzen Verhältnis System-Simulationen und Kosten-Schätzung Phase /2014 Entwicklung ausgewählter Komponenten und Systeme Phase Demonstration Komplettsystem aufbauen und im Labor testen! 8

9 Reduktion auf das Wesentliche 43 Entwicklungs- Ideen 131 Varianten simuliert 20 gewählt

10 Kriterien für die Selektion Beispiel Wärmespeicher Einsparung kwh/a /a elektrische Einsparung pro Jahr [kwh] Kosten-Einsparung pro Jahr [ ] Zusatzkosten kwh/a /a Kunststoff -Speicher Hydraulik + Regelung Reduktion Verluste 10 PCM Verbesserte Speicherschichtung Bestes Preis-Leistungsverhältnis: unter Annahme steigender Energiepreise geht die Rechnung finanziell für den Endkunden auf!

11 Vier Teams Vier Entwicklungen Team Wärme-Quelle Heizlast Ratiotherm (DE) SERC (SE) Luft Renovation (EFH100) Viessmann (FR) CEA INES (FR) Luft Niedrigenergie (EFH45) Regulus (CZ) CTU Prag (CZ) Sole + PVT Niedrigenergie (EFH 45) ESSA (CH) IWT (AT) / SPF (CH) Nur Solar-Panele «selektiv unverglast» Renovation (EFH100) + Neubau (EFH45) 11

12 System 1 Vakuumisolation Ausseneinheit Leistungsregelung & Economizerschaltung Inneneinheit 12

13 System 2 Frischwasserstation Fehlerdetektion und Intelligente Regelkonzepte Integration des WP- Kondensators im Speicher 13

14 System 3 Fehlerdetektion & Intelligente Regelkonzepte Verglaster PVT-Kollektor Enthitzerschaltung Reduktion der Wärmeverluste 14

15 Vier Teams Vier Entwicklungen Team Wärme-Quelle Heizlast Ratiotherm (DE) SERC (SE) Luft Renovation (EFH100) Viessmann (FR) CEA INES (FR) Luft Niedrigenergie (EFH45) Regulus (CZ) CTU Prag (CZ) Sole + PVT Niedrigenergie (EFH 45) ESSA (CH) IWT (AT) / SPF (CH) Nur Solar-Paneele «selektiv unverglast» Renovation (EFH100) + Neubau (EFH45) 15

16 System 4 ESSA IWT - SPF VIER KERN-PUNKTE Minimierung von Installationsfehlern Erweiterung der Wärmequellen für Sole-WP Exergetische Effizienz Wärmepumpe Exergetische Effizienz System 16

17 System 4 ESSA IWT - SPF Minimierung von Installationsfehlern! Bildquelle: 17

18 System 4 ESSA IWT - SPF Erweiterung der möglichen Wärmequellen für Sole-WP: Solardach ESSA Eisspeicher PVT Erweiterung der Wärmequellen! Neue selektive Absorberschicht ESSA thermische Leistung leicht geringer, jedoch tiefere Produktionskosten, dadurch mehr Absorberfläche zum gleichen Preis 18

19 System 4 ESSA IWT - SPF Exergetische Effizienz Wärmepumpe 115 Kondensator Sammler 6 ECO 7 Haupt- EXP 8 5 6i Enthitzer Kompressor ECO EXP 7i 1 2 Verdampfer Economizer Temperatur in C /5/ 6 14 bar 24 bar 7 6i 9 bar 7i 4 bar 19 bar 39 bar 34 bar 29 bar Enthalpie in kj/kg 3 1/

20 System 4 ESSA IWT - SPF Exergetische Effizienz System Thermische Speicherschichtung Umgehung Speicher Leistungsgeregelte WP 20

21 System 4 ESSA IWT - SPF WP: Enthitzerschaltung, Drehzahlregelung, Zwischeneinspritzung Kombi-Speicher: Wärmepumpen optimiert Solar: unverglaste selektive Kollektoren, als einzige Quelle Isolation: VIP Isolation, alles unter einer Haube Anschlüsse: Alle kompakt am Boden Verschiedene Quellen als Option: - Eisspeicher, Erdsonde (Regeneration), PVT 21

22 System 4 ESSA IWT - SPF Massnahme / Komponente Hoher Vorfertigungsgrad Flexibler Aufbau Zwischeneinspritzung Enthitzerschaltung Drehzahlregelung VIP Isolation Effekt Fehlerarme Installation, Reduktion der Installationszeit im Feld Verschiedene Quellen möglich: unverglaste Kollektoren, Eisspeicher, PVT, Erdwärme Tiefe Quelltemperaturen (Eisspeicher, Absorber, Luft als Quelle etc.), respektive hohe Senkentemperaturen (Sanierung, Warmwasser bei 60 C) «passive» Warmwasser Ladung bei Heizungsbetrieb Speicher wird (meist) nicht mehr benötigt für Heizung Klasse A+ Wärmeverluste möglich, Wenig Platzbedarf für Isolation 22

23 System-Performance nach Phase 4 Whole System Testing (WST) : Komplettes System auf dem Prüfstand Im Prüfstand gemessener Teil Simulierter / Emulierter Teil Kollektorfeld System 4 Gebäude Warmwasser Raumwärmeverteilung Wärmepumpe Erdsonden Speicher Regler Kaltwasser 23

24 System-Performance nach Phase 4 Strahlung auf die Kollektorebene [W/(m 2 K)] Globalstrahlung 20 Aussentemperatur Time [hr] -10 Aussentemperatur [ C] 24

25 Energieeinsparung gegenüber Referenz 30% 25% project goal 20% 15% 10% 5% 0% Zürich 45 Zürich 100 Carcassonne 45 Carcassonne 100 CAD-Darstellung Gesamtsystem Quelle: HSR-SPF 25

26 Ausblick Suche nach Industriepartner für Komerzialisierung des Systems Mögliche Weiterentwicklungen: Ausrichtung auf PV und Wärmepumpe: Eigenverbrauchsoptimierung Leistungssteigerung Enthitzerschaltung, VIP-Isolation, Wartungsfreundlichkeit Weitere Informationen auf Kontakt: Michel Haller, 26

27 Weitere Informationen zu WP + Solar Projekt CombiVolt: Einfluss intelligenter Wärmepumpen auf Photovoltaikeigenverbrauch und auf das Stromnetz Tagung «Solarenergie & Wärmepumpen» 16. Nov. 2016, HSR Rapperswil 27

28 Weitere Informationen zu WP + Solar Handbuch des IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38 Solar and Heat Pump Systems,

29 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Czech Technical University in Prague The research leading to these results has received funding from the European Union s Seventh Framework Programme (FP7/ ) under grant agreement n This publication reflects only the view of the author(s) and the European Union is not liable for any use that may be made of the information herein. 29

30 Standard vs. Economizer Höhere Heizleistung (bei gleicher Kompressorgröße) Senkung der Kompressoraustrittstemperatur COP-Steigerung vor allem bei hohem Druckverhältnis 30

31 Enthitzerschaltung Wasser-Austrittstemperatur 35 C bei Kompressor-Austritt >95 C Wasser-Austrittstemperatur >75 C bei nur geringfügig niedrigerem COP! 31

32 Drehzahlregelung Betriebspunkte über ein ganzes Jahr (simuliert) ohne Drehzahlregelung mit Drehzahlregelung Heizleistung in kw Raumwärmebedarf WP für Raumwärme WP für Warmwasser Aussentemperatur in C Aussentemperatur in C 32

33 VT/NT Drehzalregelung SFH45 Keine Drehzahlregelung Mit Drehzahlregelung HP Starts SH HP Starts DHW HP Starts Total Start losses [kwh] Defrosting losses [kwh] Comp. Heat losses [kwh] Inverterverluste Nein Ja Kompressoreffizienz Höher Niedriger