Solar-Kombianlagen mit Wärmepumpe gekoppelt mit Abwasser-Wärmerückgewinnung: Potenzial und Konzepte

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1 Solar-Kombianlagen mit Wärmepumpe gekoppelt mit Abwasser-Wärmerückgewinnung: Potenzial und Konzepte DI, DI (FH) Dr. techn. Andreas Heinz, Technische Universität Graz Inffeldgasse 25 / B A-81 Graz, Österreich 1 Motivation Inhaltsverzeichnis Methodik WT - Ausführungen Durchlaufprinzip Speicherprinzip Randbedingungen für Simulationen Kennzahlen für die Bewertung der Systeme Betrachtete Systeme Systeme A F Simulationsergebnisse Verschmutzung der WT Oberflächen bei AWT Zusammenfassung / Ausblick 2

2 Motivation Wenig Potenzial für weitere Energieeinsparung bei Heizung in Niedrigenergie- und Passivhäusern Gebäude: 14 m² Personen: 4 Heizung Warmwasser Für Gebäude mit sehr niedrigem Heizwärmebedarf erscheint eine Effizienzsteigerung bei Warmwasserbereitung und verteilung besonders sinnvoll Bestand 1 kwh/m²a Niedrigenergie 45 kwh/m²a Passivhaus 15 kwh/m²a Heizung Warmwasser Projekt WRGpot Abwasser-Wärmerückgewinnung im Gebäude Projektpartner: - TU Graz, AEE INTEC à Solarenergie und Abwasser als Wärmequelle für die Wärmepumpe Messungen bezüglich des Energiepotenzials des Abwassers in einem Ein- und einem Mehrfamilienhaus (Temperaturen/Durchflüsse) à AEE INTEC Entwicklung und Evaluierung verschiedener Systemkonzepte à Untersuchung des Potenzials für eine Abwasserwärmerückgewinnung à Simulationstechnische Bewertung unterschiedlicher Systemkonzepte (TRNSYS) à Betrachtung des Gesamtsystems 4

3 Methodik Literaturrecherche zum Thema Wärmerückgewinnung aus Abwasser à Wärmetauscher, Wärmerückgewinnungssysteme Ideen- und Konzeptentwicklung à unterschiedliche Wärmetauscher und Wärmebereitstellungssysteme Bewertung der Konzepte (einfaches Simulationstool, Stundenzeitschritte) à Effizienz, Kosten à Auswahl der Systeme Simulationstechnische Analyse der ausgewählten Systeme à Detaillierte dynamische Anlagensimulationen in TRNSYS à Betrachtung des Gesamtsystems 5 Bsp. für Abwasser-Wärmetauscher (im Gebäude) (1/2) Durchlaufprinzip 6

4 Bsp. für Abwasser-Wärmetauscher (im Gebäude) (2/2) Speicherprinzip Randbedingungen für Simulationen à Gebäude: - IEA SHC Task44 (SFH15/3/45 kwh/m²a) (SFH Single Family House) - 1 thermische Zone - Wohnfläche 14 m² - Fußbodenheizung à Klima: (Quelle Meteonorm) - Straßburg - Graz (1991-2) & (21-21) 8

5 Randbedingungen für Simulationen à Warmwasserprofil: - Messdaten WRGpot: 2645 kwh/a - Badezimmer: 5.6 kwh/d - Küche: 1.7 kwh/d à Abwasserprofile: - Messdaten WRGpot (EFH) - Grauwasser (Bad & WM): 5.3 kwh/d - Schwarzwasser: 1.8 kwh/d Wärme Wärme Bad Küche Warmwasser Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So GW (Bad & WM) GW & SW Abwasser Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So 9 Kennzahlen Gesamt-Stromverbrauch: System-Jahresarbeitszahl: Wärme aus dem Abwasser: E-Patrone Stromverbrauch: 12

6 System A System B 13 System C System D 14

7 System E System F 15 Ergebnisse Gebäude: SFH 3 Heizwärmebedarf: 41 kwh/(m²a) Q Heizung + Q WW : 845 kwh/a Kollektorfläche: 3 m² Puffervolumen: 3 m³ A B C D 12 A B C D SPF sys = 3,58 Wel tot = 2352 kwh SPF sys = 4,31 Wel tot = 1953 kwh SPF sys = 4,2 Wel tot = 1964 kwh SPF sys = 3,93 Wel tot = 2146 kwh Q_Solar Q_AWR W_el,EPatrone W_el,WP Q_Heizung Q_WW Q_VerlustePuSp Q_VerlusteRohre 16

8 Ergebnisse Gebäude: SFH 3 (1991-2) Heizwärmebedarf: 41 kwh/(m²a) Q Heizung + Q WW : 845 kwh/a Kollektorfläche: 3 m² Puffervolumen: 3 m³ Graz (21-21) 33 kwh/(m²a) 7215 kwh/a Straßburg 33 kwh/(m²a) 726 kwh/a C 12 Graz (1991-2) Graz (21-21) Straßburg (21 21) SPF sys = 4,2 Wel tot = 1964 kwh SPF sys = 4,75 Wel tot = 1484 kwh SPF sys = 3,56 Wel tot = 298 kwh Q_VerlusteRohre Q_VerlustePuSp Q_WW Q_Heizung W_el,WP W_el,EPatrone Q_AWR Q_Solar 17 Klima Straßburg vs. Graz (Quelle: Meteonorm) Solarstrahlung auf die Horizontale / mittlere Außentemperatur Einstrahlung auf die Horizontale [kwh/m²] Graz (1991-2) Graz (21-21) Straßburg mittlere Außentemperatur [ C] Graz (1991-2) Graz (21-21) Straßburg -5 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Aug Sep Oct Nov Dec à Vergleich Klima Straßburg / Graz (1991 2): ~ 2 25% größerer Heizwärmebedarf in Graz als in Straßburg 18

9 Ergebnisse Gebäude: SFH 3 (1991-2) Heizwärmebedarf: 41 kwh/(m²a) Q Heizung + Q WW : 845 kwh/a Sensitivitätsanalyse: Kollektorfläche / Puffergröße C SPF System Kollektor Speicher Kollektorfläche 3 m² Speichergröße 3 m³ 2-5% -25% % 25% 5% Variation Kollektorfläche / Speichergröße 19 Ergebnisse System E & F Gebäude: SFH 3 Heizwärmebedarf: 41 kwh/(m²a) Q Heizung + Q WW : 845 kwh/a Kollektorfläche: 3 m² Puffervolumen: 1.5 m³ Eisspeichervolumen: 1.5 m³ E F 12 E Graz F SPF sys = 4,27 Wel tot = 198 kwh SPF sys = 5,89 Wel tot = 1435 kwh Q_Solar Q_AWR W_el,EPatrone W_el,WP Q_Heizung Q_WW Q_VerlustePuSp Q_VerlusteRohre Q_VerlusteEisspeicher 21

10 Ergebnisse System E E F Gebäude: SFH 3 Heizwärmebedarf: 41 kwh/(m²a) Q Heizung + Q WW : 845 kwh/a Kollektoren Type: abgedeckt Kollektorfläche [m²]: 3 3 Puffervolumen [m³]: Eisspeichervolumen [m³]: a b unabgedeckt E F a b SPF sys = 4,27 Wel tot = 198 kwh Wel E Patrone = 946 kwh SPF sys = 5,89 Wel tot = 1435 kwh Wel E Patrone = 275 kwh SPF sys = 4,27 Wel tot = 1967 kwh Wel E Patrone = 26 kwh Q_Solar Q_AWR W_el,EPatrone W_el,WP Q_Heizung Q_WW Q_VerlustePuSp Q_VerlusteRohre Q_VerlusteEisspeicher SPF sys = 5,54 Wel tot = 1517 kwh Wel E Patrone = 99 kwh 22 Gebäude: SFH 3 Kollektorfläche: 3 m² Puffer Volumen: 3 m³ Ergebnisse System A 2 Q_Solar Q_AWR Wel_EPatrone Wel_WP_Kompr 18 Q_Heizung Q_WW Q_VerlustePuSp Q_VerlusteRohre Q AWR [kwh/a] System A: System B: 486 System C: 448 System D: 794 System E: System F: Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 23

11 Gebäude: SFH 3 Kollektorfläche: 3 m² Puffer Volumen: 3 m³ Ergebnisse System B 2 Q_Solar Q_AWR Wel_EPatrone Wel_WP_Kompr 18 Q_Heizung Q_WW Q_VerlustePuSp Q_VerlusteRohre Q AWR [kwh/a] System A: System B: 486 System C: 448 System D: 794 System E: System F: Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 24 Gebäude: SFH 3 Kollektorfläche: 3 m² Puffer Volumen: 3 m³ Ergebnisse System C 2 Q_Solar Q_AWR Wel_EPatrone Wel_WP_Kompr 18 Q_Heizung Q_WW Q_VerlustePuSp Q_VerlusteRohre Q AWR [kwh/a] System A: System B: 486 System C: 448 System D: 794 System E: System F: Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 25

12 Gebäude: SFH 3 Kollektorfläche: 3 m² Puffer Volumen: 3 m³ Ergebnisse System D 2 Q_Solar Q_AWR Wel_EPatrone Wel_WP_Kompr 18 Q_Heizung Q_WW Q_VerlustePuSp Q_VerlusteRohre Q AWR [kwh/a] System A: System B: 486 System C: 448 System D: 794 System E: System F: Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 26 Gebäude: SFH 3 Kollektorfläche: 3 m² Puffer Vol.: 1.5 m³ Eisspeicher Vol.: 1.5 m³ Ergebnisse System E Q_SolarPuffer Q_SolarEisspeicher Q_AWR W_el,Epatrone W_el,WP_Kompr Q_Heizung Q_WW Q_VerlustePuSp Q_VerlusteRohre Q_VerlusteEisSp Q AWR [kwh/a] System A: System B: 486 System C: 448 System D: 794 System E: System F: Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 27

13 Gebäude: SFH 3 Kollektorfläche: 3 m² Puffer Vol.: 1.5 m³ Eisspeicher Vol.: 1.5 m³ Ergebnisse System F Q_SolarPuffer Q_SolarEisspeicher Q_AWR W_el,Epatrone W_el,WP_Kompr Q_Heizung Q_WW Q_VerlustePuSp Q_VerlusteRohre Q_VerlusteEisSp Q AWR [kwh/a] System A: System B: 486 System C: 448 System D: 794 System E: System F: Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 28 Verschmutzungsproblematik Biofilmbildung (Wachstum von Mikroorganismen) Biofilme reduzieren Wärmedurchgang an Wärmetauscheroberflächen Offene Fragen: Wie schnell verschmutzen die Wärmetauscheroberflächen bzw. wovon ist dies abhängig? Ist eine Reinigung der Wärmetauscheroberflächen notwendig? (Quelle: Biofilmbildung; Wanner 29) 29

14 Abhängigkeit von WT-Verschmutzung Gebäude: SFH 3 (1991-2) Heizwärmebedarf: 41 kwh/(m²a) Q Heizung + Q WW : 845 kwh Kollektorfläche: 3 m² Puffervolumen: 3 m³ Sensitivitätsanalyse: WT - Verschmutzung 4.5 C 5 System SPF SPF System Wärmerückgewinnung Fouling Schicht [mm] Wärmerückgewinnung 3 Schlussfolgerungen / Ausblick Derartige Systeme liefern in Niedrigenergiegebäuden gute Resultate hinsichtlich der Effizienz (15/3/45 kwh/m²a) Ergebnisse abhängig vom Klima (Einstrahlung im Winter!) Wärmerückgewinnung von 4 bis 1 kwh (15 38 % der Warmwasserenergie) Der Vergleich zeigt, dass mit einer Abwasserwärmerückgewinnung die Systemeffizienz erhöht werden kann Bei WP-Systemen ohne konventioneller Wärmequelle stellt die AWR im Winter eine wichtige zusätzliche Wärmequelle dar Wärmetauscher-Verschmutzung ist eine offene Fragestellung 31

15 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Haus der Zukunft Plus ist ein Forschungs- und Technologieprogramm des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie. Es wird im Auftrag des BMVIT von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft gemeinsam mit der Austria Wirtschaftsservice Gesellschaft mbh und Österreichischen Gesellschaft für Umwelt und Technik (ÖGUT) abgewickelt. 32