Forschungsvorhaben: Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage

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1 Forschungsvorhaben: Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage Vortrag: Netzwerk Energie- & Baukultur Gefördert aus Mitteln der TSB Technologiestiftung Berlin (FKZ: UT ) Projektpartner: Projektleitung: Dipl.-Ing. (FH) Martin Dinziol berlin.de / Berlin, den 24. Juni 2014 Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 1

2 Gliederung Vortrag Beginn: 16 Uhr Objektvorstellung Modellierung Monitoring Bilanzgrenzen Optimierung Zwischenergebnisse Photovoltaik mit WP und ST Diskussion Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 2

3 OBJEKTVORSTELLUNG VOR SANIERUNG Kenndaten des unsanierten EFH: - Baujahr Standort: Berlin-Waidmannslust - unsanierter Altbau - Gebäudenutzfläche (EnEV) : rund 257 m² Anlagentechnik: - Ölkessel, Baujahr Heizkörper (80 C/60 C) - TWE über elektrische Durchlauferhitzer - Natürliche Lüftung (Fensterlüftung) Energetische Kenndaten (EnEV 2007): - Jahresheizwärmebedarf: kwh (215 kwh/m²a) = kwh (Heizung) kwh (TWE) - spez. Transmissionswärmeverlust der Gebäudehülle: H' T = 1,333 W/m²K - Jahresendenergiebedarf: kwh (348 kwh/m²a) = kwh kwh (Heizung) kwh (TWE) - Jahresprimärenergiebedarf: kwh (430 kwh/m²a) = kwh kwh (Heizung) kwh (TWE) Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 3

4 VORÜBERLEGUNGEN EFFIZIENZ Merkmale von Effizienz - Einen bestimmten Nutzen mit möglichst geringem Aufwand erzielen - Nutzung von lokalen und zeitlich unbegrenzten Ressourcen - -> Nutzung von erneuerbaren Energien bzw. nachwachsenden Rohstoffen - Mehrfachnutzung von Ressourcen - -> Nutzung von z.b. Abwärme - Nutzung von nicht erneuerbaren Ressourcen nur dann wenn diese ausschließlich durch den Einsatz von erneuerbaren Energien effizient wiederverwertbar sind! - -> Nachhaltigkeit! Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 4

5 OBJEKTVORSTELLUNG NUTZERVERHALTEN VS EFFIZIENZ Ti Tamb TWW TWK Tmin 1,9 C 11,8 C 48,0 C 4,7 C Tmax 30,1 C 33,7 C 15,3 C Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 5

6 OBJEKTVORSTELLUNG SANIERUNG Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 6

7 OBJEKTVORSTELLUNG NACH SANIERUNG Kenndaten des sanierten EFH: - Sanierung 2009/ Standort: Berlin-Waidmannslust - KfW EH 70 (Niedrigenergiehaus) - Gebäudenutzfläche (EnEV): rund 247 m² Anlagentechnik: - 9 kw Erdwärmepumpe (3x Sonden / 228 m) - Heizkörper (45 C/35 C) - 15 m² Solarthermieanlage zur TWE und HZU - Solare Temperaturanhebung des Primärkreises/WP i m³/h zentrale Lüftungsanlage (KWL) 80% WRG - Außenluftvorwärmung/-kühlung über Primärkreis/WP Energetische Kenndaten (EnEV 2007): - Jahresheizwärmebedarf: kwh (62 kwh/m²a) = kwh (Heizung) kwh (TWE) - spez. Transmissionswärmeverlust der Gebäudehülle: H' T = 0,371 W/m²K - Jahresendenergiebedarf: kwh (26 kwh/m²a) = kwh (Heizung) kwh (TWE) kwh (RLT) - Jahresprimärenergiebedarf: kwh (69 kwh/m²a) = kwh (Heizung) kwh (TWE) kwh (RLT) Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 7

8 OBJEKTVORSTELLUNG BEDARFSWERTE VOR UND NACH SANIERUNG Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 8

9 OBJEKTVORSTELLUNG OPTIMIERUNG Zeitplan des Forschungsvorhabens: : Planung und Installation der Messtechnik : Einfahren der Messtechnik : Referenzjahr und Optimierung : Optimierungsjahr und Auswertung Ziele des Forschungsvorhabens: - Umfangreiche messtechnische Erfassung der Energie- und Stoffströme der Heizungsanlage - Erstellung eines thermischen Modells (TRNSYS) des Wohnhauses und der Anlagentechnik - Analyse und Optimierung der Systemregelung zur Erhöhung der Systemjahresarbeitszahl der Wärmeversorgung - Überprüfung und Abgleich des thermischen Modells an Hand der Messwerte Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 9

10 OPTIMIERUNG Methode 1. Schritt: Modellierung der Referenzvariante und Verifizierung des Models an Hand der Messwerte 2. Schritt: Untersuchung und Modellierung der Optimierungsvarianten 3. Schritt: Übertragung der Optimierungsvariante in die freiprogrammierbare Solarregelung 4. Schritt: Verifizierung der Optimierungsvariante an Hand des gemessenen Referenzjahres Diagramm: Schritt 1 Abbildung Schritt 3: Programmieroberfläche Solarreglung Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 10

11 MODELLIERUNG Modellierung und Simulation mit TRNSYS 17 Dynamisches Simulation Programm - Fortran Modular aufgebaut Modellierung des Gebäudes mit 3D Tool 1 2 Gesucht: 1 2 Funktionaler Zusammenhang gesucht zwischen Ein- und Ausgangsgrößen abhängig von den Anfangs- und Randbedingungen Diff. Gleichung und/oder empirischer Weg Modellierung oft durch Kennlinien, sie beschreiben den Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgröße Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 11

12 MODELLIERUNG Beispiel Solarthermiekollektor Wirkungsgrad: Berechnung durch TRNSYS: Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 12

13 MODELLIERUNG Beispiel Erdwärmesonden Niederschlag Sl Solarstrahlung Grundwasserfluss Erdwärmesonden Geothermischer Wärmefluss Wärmestrahlung Gesteins wärmeleitung Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 13

14 MODELLIERUNG Beispiel Verifizierung des Modells an Hand Messwerte/Erdwärmesondenkreis C Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 14

15 MODELLIERUNG EMPIRISCH Beispiel Kennlinie Wärmepumpe Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 15

16 MODELLIERUNG Beispiel Gebäude Einflussgrößen: Solarstrahlung, Außentemperatur, interne Lasten Bilanzgrenze um sog. thermische Zonen Räume mit gleicher Innentemperatur Berechnung der Innentemperatur jeder Zone in jedem Zeitschritt in Abhängigkeit von den Einflussgrößen Innentemperatur Stellgröße für das Heizsystem Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 16

17 MONITORING Fernzugriff auf Messwerte und Regelung - Online dezemvis - Fernzugriff Solarregler - Fernzugriff Wärmepumpe Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 17

18 MONITORING Übersichtsschaltplan Hydraulik/Messtechnik Gesamtenergetische Erfassung - 12 Volumenstromgeber - 43 Temperaturfühler - 2 Einstrahlungssensoren - 14 Elektr. Verbraucher Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 18

19 BILANZGRENZEN In der Fachliteratur werden zur Bestimmung der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe unterschiedliche Bilanzgrenzen gewählt (Quelle: Fraunhofer ISE) Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 19

20 BILANZGRENZE AZ3 Bilanzgrenze AZ3 in Anlehnung an Fraunhofer ISE Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 20

21 BILANZGRENZE BLACK BOX Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 21

22 OPTIMIERUNG (ZWISCHENERGEBNISSE) Optimierungsvarianten Variante Beschreibung 1 Status Lüftung Pumpe Außenluftvorwärmung nur aktiv, wenn Lüftungsgerät gg aktiv 2 Temperaturanhebung Sole Einspeisung Erdwärmesondenkreis nur aktiv, wenn Wärmepumpe aktiv 3 Variante Heizkurve Reduzierung der Vorlauftemperatur um 2 K 5 Dämmung Pufferspeicher Verdoppelung der Wärmedämmung des Pufferspeichers 6 Solarregelung l Var3 + Optimierte i t Vorrangregelung 7 Temperaturfühler Pufferspeicher Var 6 + Verschiebung des Temperaurfühlers Anforderung TWE von 1,34 m auf 1,43 m Höhe 8 Kombination 1 Var4 + Var 7 9 Regelung Außenluftvorwärmung Außenluftvorwärmung nur aktiv, wenn Soletemperatur +3 K über Außenlufttemperatur 10 Kombination 2 Var8+ Var 9 + sommerliche Außenluftkühlung deaktiviert Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 22

23 ZWISCHENERGEBNISSE (VORLÄUFIG) 10% 9,3% 7,0% 5% 0% 0,0% 0,8% 0,8% 1,7% 3,5% 2,7% 3,8% 42% 4,2% 2,0% -5% -10% -12,3% -15% Relative Verbesserung der Systemjahresarbeitszahl SJAZ, Bilanzgrenze Black Box Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 23

24 MESSERGEBNISSE AZ3 REFERENZ (JUNI MAI 2013) OPTIMIERUNG (JUNI MAI 2014) Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 24

25 MESSERGEBNISSE BLACK BOX REFERENZ (JUNI MAI 2013) OPTIMIERUNG (JUNI MAI 2014) Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 25

26 PHOTOVOLTAIK MIT WP UND ST AUFWAND EFH (2013) Aufwand (2013) MWh Anteil Haus insgesamt 9,48 100% davon Haushaltsgeräte 2,64 28% Heizung insgesamt 6,84 72% davon Verdichterkreis 5,10 75% davon Heizung ohne Verdichterkreis 1,74 25% davon Primärkreispumpe WP 0,67 39% davon Heizungspumpen 0,41 24% davon Solarkreispumpen 011 0,11 6% davon Frischwasserstation 0,05 3% davon Lüftung 0,50 29% Haus insgesamt Heizung ohne Verdichterkreis Heizung insgesamt Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 26

27 PHOTOVOLTAIK MIT WP UND ST LASTPROFIL EFH (2013) / ERTRAGSPROFIL PV Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 27

28 PHOTOVOLTAIK MIT WP UND ST ERGEBNISSE ohne WP / ohne Akku mit WP / ohne Akku mit WP / mit Akku Energiebedarf EFH kwh kwh kwh Bezugsstromkosten 0,29 Euro/kWh 0,26 Euro/kWh 0,26 Euro/kWh 3 kw PV Anlage kwh Speicher Invest, gesamt Speicherförderung Invest nach Förderung Stromgestehungskosten PV 0,15 Euro/kWh 0,15 Euro/kWh 0,21 Euro/kWh Eigenverbrauchsanteil 47% 54% 78% Autarkiegrad 30% 16% 21% Amortisation in Jahre 11,1 11,2 15,1 Rendite 8,0% 7,9% 4,4% *Preissteigerungsrate 4% Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 28

29 DISKUSSION Potenzial für Berlin ca Ein- und Zweifamilienhäuser (Quelle: Amt für Statistik Berlin-Brandenburg, Stand Ende 2011). Optimierung einer Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Solarthermieanlage 29