Erdgekoppelte solar unterstützte WP-Systeme: Konzepte Methoden Lösungen. Rainer Tepe

Transkript

1 Industrietag: Niedersachsens Heizungsindustrie am ISFH Emmerthal, Erdgekoppelte solar unterstützte WP-Systeme: Konzepte Methoden Lösungen Rainer Tepe Quelle: Bine.info Quelle: Ostfalia Hochschule für Angewandte Wissenschaften Quelle: ISFH

2 Solar unterstützte Wärmepumpensysteme mit Erdreichkopplung Projekt GeoSolarWP - Forschungspartner Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie, Hannover Ostfalia Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel Geowissenschaftliche Zentrum der Universität Göttingen

3 Solar unterstützte Wärmepumpensysteme mit Erdreichkopplung Innovationsverbund von 4 wissenschaftlichen Partnern mit Unterstützung und Informationsaustausch zu 6 privatwirtschaftlichen Partnern gefördert von der EU im Rahmen von EFRE, 50% mit Teilfinanzierung des Landes Niedersachsen, MWK, 40% und Eigenanteil der Forschungspartner, 10% Laufzeit: Sept bis Febr. 2014

4 Konzepte Methoden Lösungen Wärmepumpe Trinkwarmwasserlast Heizlast Sonnenkollektor Möglichkeiten für die Kopplung von Sonnenkollektor und Wärmepumpe 1. Solare Quellenanhebung 2. Auf den Verdampfer 3. Solare Quellenanhebung mit Quellenspeicher 4. Solareinbindung auf die Senkenseite Optionaler Quellenspeicher Erdsonde

5 Konzepte Methoden Lösungen Experimentalanlage Modellierung und Simulation Hochwertige Sensorik

6 Konzepte Methoden Lösungen Systemkonzepte bewerten Solarunterstützung bringt hohe Jahresarbeitszahlen TWW JAZ = 5 TWW + Heizung JAZ = 6 bis fast 8 Jahresarbeitszahl nur WP annähernd konstant Elektrische Einsparung pro m² Kollektor sinkt mit steigender Kollektorfläche 0 5 m² 100 kwh/m 2 a 5 15 m² 35 kwh/m 2 a

7 Konzepte Methoden Lösungen Regleralgorithmen entwickeln und prüfen: Drehzahlregelung DTS und ANS DT S = Soll-Temperaturdifferenz: Wenn DTE erreicht Pumpe ein 10 Sek. n = 100 % danach Minimaldrehzahl n = 30 % Einstellbereich: 1, ,0 K (0,5 K Schrittweite) Voreinstellung: 10,0 K RB: DT S muss um 0,5 K größer sein als DTE AN S = Anstiegswert: Wenn DT S erreicht n + 10 % wenn AN S erreicht weitere + 10 % bis max. 100 % Quelle: RESOL, Dokumentation DeltaSol BS/2 Regler Einstellbereich: ,0 K (1 K Schrittweite) Voreinstellung: 2,0 K

8 Methode Simulation Wir können auch simulieren!

9 Simulationsprogramm TRNSYS Systemsimulationen mit dem Programm TRNSYS Modulare Programmstruktur Beliebige Zeitschritte Kombinierte Simulationen für Gebäude und Anlage Mehrjahressimulationen Offene Quellcodes, auch mit eigenen Komponentenmodellen

10 Simulationsprogramm TRNSYS TRNSYS Online Präsentation

11 Simulationsprogramm TRNSYS Durchlauferhitzer Systeminformationen Gebäude als Passivhaus Standort Hannover Zielsetzung: - Automatischer Betrieb - Wenig Strombedarf des Durchlauferhitzers - Sommerliche Deckung der TWW- Last durch PV-Anlage (durch Überschussstrom) Holzpelletofen Frischwasserstation 500 l Pufferspeicher PV-Anlage Deckenheizplatten u. Konvektoren

12 Experimente und Simulation Wärmepumpenverhalten COP steigt mit höherer Quellen- und niedrigerer Senkentemperatur Cond,out V Evap COP_35 C_2500l/h Gemindertes solares Einsparpotenzial 35 C Nicht empfindlich gegenüber Volumenstromvariation Quelle COP_35 C_1000l/h COP_50 C_2500l/h COP_50 C_1000l/h COP_60 C_2500l/h COP_60 C_1000l/h 50 C WP-Tests auch für höhere Quellentemperaturen durchführen COP [-] C Wichtig: WP Kapazität Komponentenverhalten in Modellierung und Systemanalyse berücksichtigen Source temperature [ C]

13 Experimente und Simulation Sondenmodellierung Analyse und Weiterentwicklung von Erdsondenmodellen für die dynamische Systemsimulationen in TRNSYS durch Messtechnische Untersuchung der Erdwärmesonden und Abgleich mit COMSOL-Simulationen TRNSYS-Erdsondenmodell positiv negativ EWS (Huber et al.) Kurzzeitverhalten Einzelsonde DST (Hellström) Anordnung im Zylinder Kurzzeitverhalten SBM (Eskilson) Anordnung beliebig Kurzzeitverhalten

14 Experimente und Simulation Temperatursprungversuch Nachsimulation in TRNSYS Typ. Leistungsverlauf bei Sprungversuch Erdsondenverhalten: Spezifische Leistung EWS in W/m Typische Laufzeit Wärmepumpe hohe spezifische Entzugsleistung zu Beginn Effekt bei den typischen Laufzeiten von Wärmepumpen nicht zu vernachlässigen 0 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 Zeit in h

15 Experimente und Simulation Temperatursprungversuch Nur EWS-Modell zeigt hohe Genauigkeit In SBM und DST fehlen Totzeit und Zeitkonstante

16 Experimente und Simulation Sondenmodellierung SBM und DST in Simulation mit zusätzlicher EWS Kapazität (virtuelles Vorschaltrohr) 3D-COMSOL Simulationen durch:

17 Experimente und Simulation Sondenmodellierung System-Jahresarbeitszahl SPF DST mit Vorschaltrohr DST ohne Vorschaltrohr System BHE allein Gesamtlänge Erdsonde in m Starker Effekt auf die Jahresarbeitszahl SPF 3.5: mit VSR 90 m ohne VSR 130 m BHE Länge = 110 m: mit VSR SPF=3.6 ohne VSR SPF=3.2

18 Regelungsnachbildung in der Simulation Wärmepumpe Trinkwarmwasserlast Heizlast Sonnenkollektor Möglichkeiten für die Kopplung von Sonnenkollektor und Wärmepumpe 1. Solare Quellenanhebung 2. Auf den Verdampfer 3. Solare Quellenanhebung mit Quellenspeicher Optionaler Quellenspeicher Erdsonde 4. Solareinbindung auf die Senkenseite

19 Regelungsnachbildung in der Simulation Solare TWW-Erwärmung mit und ohne Erdreichregeneration Problemstellung Zusätzliche Solarerträge verschlechtern JAZ Regelungsoptimierung lieferte nur geringe Verbesserungen System- und Komponentenverhalten deutlich komplexer als erwartet (Kapazitäten)

20 Regelungsnachbildung in der Simulation Regelung in TRNSYS Bisher: Neu: On/Off-Controller Thermostat Microprocessor Controller Equations Umsetzung eines Quellcodes in einen TRNSYS-Regler Vorteile Stark verminderter Aufwand Programmiersprache wie C / C++ umsetzbar Regelexperten erarbeiten die Lösung Lösung in der Simulation bereits in Regler-Quellcode integriert

21 Regelungsnachbildung in der Simulation Bisherige Reglerabbildung

22 Regelungsnachbildung in der Simulation Neue Reglerabbildung

23 Regelungsnachbildung in der Simulation Regelung in TRNSYS Bisher: Neu: On/Off-Controller Thermostat Microprocessor Controller Umsetzung eines Quellcodes in einen TRNSYS-Regler Vorteile Stark verminderter Aufwand Programmiersprache wie C / C++ umsetzbar Regelexperten erarbeiten die Lösung Lösung in der Simulation bereits in Regler-Quellcode integriert

24 Systemsimulationen Vorgaben durch IEA SHC Task44 / HP Annex 38 Einfamilienhaus 140 m² 45 kwh/m² a (6300 kwh/a) Fußbodenheizung TWW 2000 kwh 7 kw Wärmepumpe Dynamisches Systemmodell

25 Systemkombination Wärmepumpe Trinkwarmwasserlast Heizlast Sonnenkollektor Möglichkeiten für die Kopplung von Sonnenkollektor und Wärmepumpe 1. Solare Quellenanhebung 2. Auf den Verdampfer 3. Solare Quellenanhebung mit Quellenspeicher 4. Solareinbindung auf die Senkenseite Optionaler Quellenspeicher Erdsonde

26 Systemanalyse Solare Quellenanhebung JAZ Verbesserung durch solare Quellenanhebung klein Steigert Systemrobustheit Beste Kombination: Quellenspeicher + Flachkollektor Vorteil: Stagnationsschutz Coll HP BHX JAZ SHP (ohne Regelung)

27 Systemanalyse Begrenzung Soletemperatur Heizstab ersetzt Wärmepumpe bei unterschreiten von T min T min großer Einfluss auf JAZ Betrieb mit Wasser erzwingt sehr lange EWS, hier: > 150 m Ohne Solaranlage T min JAZ SHP (ohne Regelung)

28 Systemanalyse Begrenzung Soletemperatur Solaranlage hebt Quellentemperatur um 1 bis 2 K an JAZ Verbesserung bis 0.6 (bei hoher Min-Temp) T min 10 m² unverglaster Kollektor JAZ SHP (ohne Regelung)

29 Systemanalyse Solareinbindung Senkenseite Solarunterstützung bringt hohe Jahresarbeitszahlen TWW JAZ = 5 TWW + Heizung JAZ = 6 bis fast 8 Jahresarbeitszahl nur WP annähernd konstant Elektrische Einsparung pro m² Kollektor sinkt mit steigender Kollektorfläche 0 5 m² 100 kwh/m 2 a 5 15 m² 35 kwh/m 2 a JAZ SHP (ohne Regelung)

30 Systemanalyse Sondenfeld und -längen aktueller Mindestabstand bei Siedlungen a= 10 m Variation Abstände: 3, 5, 6, 8, 10, 15, 20, 36 m Sondenlängen: 70, 90, 110, 130 m

31 Systemanalyse Sondenfeld und -längen Geringe Sondenabstände verursachen starke Langzeitauskühleffekte Langzeiteffekte mit Solareinbindung deutlich geringer Je geringer der Sondenabstand, desto positiver der Solareinfluss

32 Fazit Systemuntersuchungen Erdgekoppelte solar unterstützte WP-Systeme Deutliche JAZ-Verbesserungen sind möglich, JAZ-Werte über 6 erreichbar Effizienzgewinne durch Quellenanhebung gering Systeme werden aber robuster Größere Effekte bei MFH, Siedlungen und Nicht- Wohngebäuden Standard-WP nutzen hohe Quellentemperaturen nicht vollständig Dynamisches Verhalten von WP und EWS hat hohen Einfluss Deutliche Modellverbesserungen erzielt

33 Konzepte Methoden Lösungen Neue Konzepte müssen bewertet und optimiert werden Methoden: Experimente zur Beschreibung der Komponenten Valdierung der Komponenten / Subsysteme Simulationsstudie zur Systemoptimierung Lösungen Kriterien: Kosten, Ökologie, Endenergie Handhabbarkeit, Komfort, Zuverlässigkeit..

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!