SPF- Industrietag 2013: Anbindung von Wärmepumpen an Kombispeicher: Details entscheiden!
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- Hella Ackermann
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1 SPF- Industrietag 2013: Anbindung von Wärmepumpen an Kombispeicher: Details entscheiden! Dr. Michel Haller, Dipl. Ing. (FH) Robert Haberl
2 Kombination Solarwärme und Wärmepumpe Mass für energetische Effizienz ist das Verhältnis von Wärme- Lieferung [kwh] zu Stromverbrauch [kwh] über das ganze Jahr Wärmepumpe: JAZ ca JAZ = Jahresarbeitszahl el. Strom Umwelt Wärmepumpe Wärme Solaranlage: Faktor ca el. Strom Sonne Sonnenkollektor Wärme Aber: 100% solare Heizung ist mit hohen Kosten Verbunden Deshalb: 100% Solar durch den Sommer, Teilsolar durch Frühling, Herbst und Winter den (grossen) Rest übernimmt die Wärmepumpe 2
3 Beispiel Hydraulik eines Kombisystems mit WP WW Speicher Wärmepumpe Tww Luft Kollektorfeld M Trh M Raumheizung Tsol 3
4 Grundsätzliches zu Solarwärme und Wärmepumpen 70% 30% Solar WP Wärmepumpe liefert in der Regel 70-80% der Energie im Kombisystem, Kollektoren den Rest S irr T Quelle-Senke [K] 1 K 2-3%!!! S irr COP Arbeitszahl der Wärmepumpe umso besser, je tiefer die Senken-Temperatur (Heizkreis, Warmwasser), respektive je höher die Quellentemperatur 1 K höhere Senken-Temperatur -> 2-3% tiefere Arbeitszahl (resp. 2-3% höherer Strombedarf) Jegliche Exergieverluste (Mischung!) zwischen der Produktion der Wärme durch die WP und der Wärmeverteilung sind zu vermeiden! 4
5 Mischungsprozesse im Speicher Speicher Wärmepumpen werden mit kleinen delta-t betrieben, d.h. mit HOHEN VOLUMENSTRÖMEN! (1500 L/h an Stelle von 500 L/h für Öl- oder Gaskessel) 1. Wärmeleitung und Diffusion 2. plume entrainment 3. inlet jet mixing λ Wand λeff Resultat von Speicher-Durchmischung: Höhere Rücklauf-Temperaturen für Solarkollektoren UND DIE WÄRMEPUMPE! 5
6 Mischungsprozesse in der Hydraulik M Fussboden 35/30 C M Radiatoren 60/40 C 2 parallele Stränge mit verschiedenen Vorlauf- Temperaturen - > Mischung! 6
7 Hydraulische Einbindung und Regelung der WP ist entscheidend! 1. Schichtungseffizienz des Speichers 2. Hydraulische Einbindung WP WW Speicher Wärmepumpe: Luft-Wasser oder Sole-Wasser Tww air M Kollektoren Trh M Raumheizung Tsol 7
8 Einfluss der Speicher-Schichtungseffizienz JAZ sys sehr gut schichtendes System W el +50% kwh el /a perfekte Schichtung Schichtungseffizienz [%] 0 vollständig durchmischt Basis: TRNSYS-Simulationen mit T44A38 Referenzsystem. Klima Strasbourg, Last SFH45, 15 m 2 Kollektorfeld, Sole-Wasser Wärmepumpe, 900 liter Speicher. Schichtungseffizienz nach Haller et al. (2010) und Logie et al. (2010). 8
9 Resultate Referenz Luft-Wasser WP + Solar Tww WP Bolerlade-Zone Doppelte Umschaltung Vorlauf und Rücklauf der WP Bei Boiler-Ladung 1750 mm 1575 mm 1400 mm 963 mm 875 mm 525 mm Trh RH RH-Zone SPF sys = 3.51 Ref Basis: TRNSYS-Simulationen mit T44A38 Referenzsystem. Klima Strasbourg, Last SFH45, 15 m 2 Kollektorfeld, Luft-Wasser Wärmepumpe, 900 liter Speicher. Schichtungseffizienz nach Haller et al. (2010) und Logie et al. (2010). 9
10 Verschiedene hydraulische Einbindung der WP (Simulationen) 10
11 Resultate Varianten 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% EFH mit 45 kwh/m 2 a (140 m 2 ) Wärmebedarf in Strasbourg Veränderung des el. Energieaufwands im Vergleich zur Referenz Ref: doppelte Umschaltung der Wärmepumpe + Sensor Tww genügend Abstand WW-Sensor nur knapp über Bereich für Raumheizung Ref B C D E F G H I J K L zusätzlicher el. Strombedarf [kwh/a] Rücklauf von Speicher zu WP auch im WW-Modus auf Niveau der Raumheizung 11
12 Zusammenhang Boilerlade-Energie und JAZ sys < 60% > 100% JAZ sys SFH15 (35/30) SFH45 (35/30) SFH100 (35/30) Qwp,ww/Qww [%] Qwp,ww -> Wärme von der WP im Boilerlademodus (WW) geliefert [kwh] Qww -> Warmwasser vom Speicher bezogen [kwh] 12
13 Kombi-System-Test Simulierter / Emulierter Teil Im Prüfstand gemessener Teil Kollektorfeld Gebäude Warmwasser Raumwärmeverteilung Speicher Regler Luft Wärmepumpe Kaltwasser 13
14 Verhältnis QWP,WW/QWW 25 Aussentemperatur Globalstrahlung 1200 Aussentemperatur [ C] WP,WW 200% % % % Zeit Tag [h] 0% Q WP,WW /Q WW Globalstrahlung [W/m2] DHW SOMMER 0% Tag 14
15 Empfehlungen zu Kombispeichern 1 Die Position des Temperatursensors für die Boilerladung muss einen Mindestabstand gegenüber der Raumwärme-Zone des Speichers einhalten. Dieser ist system-spezifisch (respektive abhängig vom Schichtungsverhalten des Speichers) Als erster Richtwert kann von einem minimalen Abstand von ca. 20 cm ausgegangen werden. Der Speicher-Anschluss des Rücklaufs zur Wärmepumpe im Boilerladebetrieb ist oberhalb der Raumwärme-Zone des Speichers anzusetzen! Zudem kann es von Vorteil sein, den Speicher bei Betrieb der Wärmepumpe im Raumheizungs-Modus ganz zu umgehen. 15
16 Empfehlungen Kombispeicher 2 System als ganzes testen (zum Beispiel CCT am SPF) Direkte Speicheranschlüsse sind auf ihr Schichtungsverhalten bei verschiedenen Volumenströmen zu testen. 16
17 Kombi-System-Test Gute Komponenten machen noch kein gutes System! Wärmepumpe Speicher Kollektoren Einzelprüfung System-Prüfung Kollektoren Regler Solarbau -gruppe Wärmepumpe Hydraulik Speicher Modellbildung und Simulation 17
18 Kombi-System-Test Wir testen für Sie kombinierte Heizsysteme für Raumwärme und Warmwasser mit: Wärmepumpen (L/W, S/W, W/W) Pellets-Kessel Öl- und Gas-Kessel Solarwärme und Solarstrom alle Kombinationen bis Ende 2013: 25% Rabatt im Rahmen eines BFE-Projektes (SOL-HEAP) für alle Wärmepumpen-Solar Kombinationen bei Möglichkeit der Verwendung von anonymisierten Test-Resultaten im IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38 Solar and Heat Pump Systems. Nur noch wenige Plätze frei (first come first serve) 18
19 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Dieses Projekt wurde unterstützt durch: Bundesamt für Energie BfE, Bern
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