Leistungsbewertung von thermisch angetriebenen Wärmepumpen und Übersicht einschlägiger Normen

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1 Leistungsbewertung von termisc angetriebenen Wärmepumpen und Übersict einsclägiger Normen Hauptergebnisse des Task B IEA HPP Annex 34 Absclussworksop AIT Wien 27. September 2012 Ivan Malenković Energy Department Sustainable Termal Energy Systems

2 Übersict Klassifikation Anwendungen TDHP Definition von Kennzalen Definition von Systemgrenzen TDHP-Referenzsystem Beispiel Anwendungen Vorsclag für die Erweiterung der T-Stufen-Metode Übersict Normen für TAWP mit Scwerpunkt GWP 2

3 Systemklassifizierung uelle: Vaillant uelle: Yazaki uelle: E-Sorp uelle: SolarNext 3

4 Kennzalen (1) COP EER: Nur Wärmepumpe / Kältemascine beim konstanten Norm-Betriebspunkt. Ermittlung am Prüfstand. SCOP SEER: Nur Wärmepumpe / Kältemascine Berecnung der saisonalen Effizienz aus geg. Klimaund Prüfstandsdaten. SPF: (Sub-)Systemeffizienz ermittelt aus den Monitoringdaten oder mittels Systemsimulation 4

5 Kennzalen (2) SPF PER: Vorsclag für eineitlice tecnologieübergreifen de Definition von Kennzalen SCOP SEER: Input vom Annex 34 für die Diskussionen in den CEN und VDI Arbeitsgruppen COP EER: Vorscläge für eine konsistente Definition des stationären Betriebs 5

6 Termisce und elektrisce Energie term. Energie el. Energie Umweltenergie Untersciedlice Exergieinalte Untersciedlice Emissionsfaktoren el. Energie Untersciedlice Kosten Verbunden über Primärenergie (PER) term. Energie TGWP Nutzenergie COP t = Nutzenergie t. Antriebsenergie COP el = Nutzenergie el. Antriebsenergie 6

7 Referenzsystem Referenzsystem für termisc getriebene Wärmepumpen IEA HPP Annex 34 7

8 Systemdarstellung Kostenlose Energie NG = Zugekaufte Energie Nutzenergie 8

9 Bilanzgrenzen Bilanzgrenze 1. Gesamtsystem inklusive Wärmeabgabesystem 2. Gesamtsystem one Wärmeabgabesystem 3. Wärmebereitstellungssystem one Speicer (Brutto-Nutzenergie) 4. Wärmepumpe selbst mit allen nötigen Systemen (uelle Senke) Verwendung Gesamtenergiebilanz Gesamtkosten für den Betreiber Emissionen Möglickeit der ökonomiscen und ökologiscen Systembewertung Systembewertung one Einfluss von Speicerverlusten Produktbewertung (WP) mit WA und/oder WNA 5. Wärmepumpe one Periperie Produktbewertung one WA/WNA 9

10 Systemdarstellung und Bilanzgrenzen 10

11 Beispiel: Indirekt befeuerte Külung 11

12 Beispiel: Indirekt befeuerte Külung (2) SPF IFC t 2 C 2 3a p 8b 9 10b 2 3a p SPF IFC el 2 E C el IFC 2 8b 9 10b E el IFC 2 Eel IFC 2 ETDHP ECOL E1 E2 E3 E4c E7 E8 E10 E11 E HR1 EHR2 EBUH EBUC PER IFC 2 p fossil C E el el fossil 2 C p 2 3a Eel IFC 2 boiler 2 fossil 3 DH 3 el 12

13 Beispiel: Direkt befeuerte Heizung 13

14 Beispiel: Direkt befeuerte Heizung (2) p DFH t c b b a SPF HS TDHP DFH el DHW SH DFH el E E a E E c b b a E SPF el DFH el fossil p DFH E c b b a PER P t lp DFH t E SPF ) ( ) ) (( ) ( yd lp p p TDHP t lp p DFH el E E E E SPF el ref el ref fossil ref p el DFH el fossil p DFH sav E E f

15 Vergleic Systemgrenzen Wärmepumpensysteme SPF H4 SPF H3 SPF H2 uelle: IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38 eat pump ot water tank space eatig buffer tank SPF H1 uelle: Proekt SEPEMO 15

16 Temperatur-Stufen (Bin)-Metode für solare Külung: Motivation Markt für solare Külung wäcst Keine standardisierte Metode zur Leistungsbewertung von Kältemascinen und Systemen voranden Herstellerangaben scwer vergleicbar Bedarf nac einer transparenten Metode für Tecnologievergleice Prüfmetoden nict vollständig keine Normen voranden keine ualitätssicerungsmetoden Metode könnte für ErP verwendet werden Brance brauct ein einfaces und genügend genaues Tool für Abscätzung der Systemleistung und effizienz unter gegebenen ortsabängigen Bedingungen 16

17 Grundlage der Metode Überfürung der stationären Werte in eine pseudo-dynamisce Metode der Leistungsbewertung n t i C TDHP i n i C on t T EER T T SEER 1 1 ) ( ) ( ) ( uelle: pren Back-up cooling n bu el i C TDHP i n C i el on T P T EER T T SEER 1 1 ) ( ) ( ) ( ) ( 17

18 SEER SEER t C SEER C on t aux SEER el C SEER C on el E aux aux : z.b. Energie für einen Backup-Kessel E aux : Stromverbrauc im Aus-Zustand Termostat-Aus- Zustand usw. wenn die Kältemascine keine Nutzenergie liefert 18

19 Erforderlice Ergänzungen Solare Einstralung nict berücksictigt Verfügbare Energiemenge und vorandene Temperatur des Antriebs nötig für die Performanceberecnun Backup-System auf der warmen Systemseite nict berücksictigt Rückkülungssystem muss berücksictigt werden Teillastbedingungen müssen definiert werden 19

20 Solare Einstralung (1) T i Einstralungsintensität aufgeteilt auf 5 Intervalle 20

21 Solare Einstralung (2) Kollektoreffizienz: Messdaten aus EN coll i a 0 1 T m T G i a 2 T m T G i 2 Kältemascine: Kollektorfläce muss angenommen werden. Für Kits tatsäclice Fläce wird verwendet sol i coll i G A 0 sol i i spec 0 i A spec G 1 coll nom EER nom 21

22 Rückkülung Berücksictigung der Abwärmetemperatur Effizienz termisc angetriebener Wärmepumpen empfindlic auf Rückkültemperaturen Temperatur am Eintritt in den Absorber/Kondensator ist eine Funktion der Lufttemperatur Art des Rückkülers Regelung Luftfeuctigkeit usw. Im ersten Scritt konstante Werte für fünf Temperaturbereice wurden angenommen 22

23 cooling load ciller capacity [kw] Leistungsbewertung (1) THR=33 C THR=30 C THR=28 C THR=25 C 25 Backup-Külung mit konstantem EER Pnom Pmin ambient temperature T [ C] cooling load ciller capacity Intermitierender Betrieb mit EER- Minderungsfaktor sowol termisc als auc elektrisc 23

24 cooling demand ciller output [kw] Leistungsbewertung (2) cooling demand ciller output Ciller: P nom =18 kw absorption Kältebedarf: P design =244 kw C =39000 kw Kälteverteilung: 7/12 C Kollektorfläce: 85 m 2 Backup EER: ambient temperature T [ C] Klimadaten: Palermo Italien SEER t SEER eltot SEER elc

25 Sclussfolgerungen Metode zur Performanceabscätzung von solaren Külungssysteme vorgesclagen die auf in Normen bereits verwendeten Metode basiert Erste Ergebnisse zeigen realistisce Werte weitere Entwicklung notwendig eine der Aufgaben im IEA SHC Task 48 Temperatur der Wärmequelle Korrelation zwiscen dem Rückkülsystem und Außenlufttemperatur für untersciedlice Systeme Möglickeit untersciedlice Regelungsstrategien für die Erreicung der Teilleistungen Erweiterung der Metode auf Gesamtsysteme inklusive Heizung und BW (SolarCombi+) 25

26 Anwendungsbereic Überblick Normen: Kältemascinen Systemgrenze Nur WP WP mit Periperie System Prüfung DIN JIS B 8622 ANSI/AHRI 560 EN :2000 ANSI/ASHRAE 182 Leistungsbewertung ualitätssicerung RAL-ZU 118 pren :2012 VDI EN Külung berücksictingt Indirekte Befeuerung berücksictigt Teillast berücksictigt Dynamisce tests? Systeme? 26

27 Temperature levels Vergleic Normen EN : 2000 DIN VDI JIS B 8622 ANSI/AHRI 560 ANSI/ASHRAE 182 Application eating and/or cooling eating eating and DHW eating and cooling indirect fired cooling direct fired cooling / eating eating only cooling only and combined eating and cooling Tecnology absorption and adsorption absorption only absortption and adsorption absorption water/libr absorption water/libr indirect fired single and double effect direct fired double effect absorption single and double effect Energy sources/sinks Capacity Driving energy Auxiliary consumption driving energy / desorber energy source / evaporator energy sink / absorber condenser sources: water ground air water air up to 70 kw direct fired gas no eating inlet: air C water C brine -5 0 C eating outlet: air 20 C water C - sinks: cooling in/out: air C water 12/7 C brine 0/-5 C cooling inlet: air C water C sources: water ground air sinks: water air sources: groundwater water air solar energy sinks: water sources: water water sinks: sources: water sinks: water sources: water sinks: water no limitation up to 70 kw more tan 25 kw no limitation no limitation direct fired gas no water inlet: 10 C brine inlet: 0 C air inlet: 2 and 7 C water outlet: 35 C air inlet: 20 C direct fired gas yes troug internal pressure losses - - water in/out: 10/7 C brine inlet: 5-9 C air inlet: C solar: K to Tair tree temperatures given: 35/28 55/45 and 70/55. Temperature glide for part load conditions direct fired: gas oil indirect fired: water steam exaust gas no specifications pressure loss for cilled cooling or ot water measured according to manufacturer's specifications direct fired: gas oil oter direct fired: gas oil indirect fired: ot water indirect fired: ot water steam steam oter no no ot water inlet: 82 to 204 C - cooling: inlet 7 C cooling: outlet 44 to 89 C - cooling: inlet 32 C eating: outlet 55 C values apply only for direct and steam fired units cooling inlet: 267 zo 322 C - Test conditions Durability issues full load steady-state full load steady-state some durability related topics as part of operational and safety tests regarding limits of requirements in Part 1 of te standard: operation servicing weater resistance limits of operation etc. steady state full and part load full and part load steady state and quasy-transient (e.g. on-off operation for part load) full and part load load steady state steady state - - fouling factor taken into account - 27

28 Zusammenfassung Normen KM Die Normen berücksictigen kaum diskontinuierlic arbeitende Kältemascinen Europäisce Normen nur für direktbefeuerte Anlagen Keine Teillastprüfung in europäiscen Normen Keine metoden für dynamisce Prüfung voranden Keine eineitlice Definition von Kennzalen Die Normprüfbedingungen überwiegend für Niedrigtemperaturkülung ausgelegt Keine Lnagzeittests Zuverlässigkeitstests voranden Keine Gesamtbilanzierung des Energieverbraucs Keine Metoden für Langzeit-Leistungsprognose 28

29 Überblick Normen: System Genormte Prüfmetoden für solare Systeme Dynamic System Testing (DST) EN ISO Complete System Testing Group (CSTG) EN ISO 9559 Component Test System Simulation (CTSS) EN Erweiterung auf SK-Systeme Weitere Proekte (Black-box SHP-Systeme) Concise Cycle Test (CST) - SPF Sort Cycle System Performance Test (SCSPT) INES Combitest SP Dalarna Global Testing Procedure - CSTB 29

30 CTSS - Metode Number CEN/TS :2010 CEN/TS :2010 EN :2008 CEN/TS :2010 CEN/TS :2010 Title Termal solar systems and components - Custom Built Systems Part 1: General requirements for solar water eaters and combisystems Custom Built Systems Part 2: Test metods for solar water eaters and combisystems Custom Built Systems Part 3: Performance test metods for solar water eater stores Custom Built Systems Part 4: Performance test metods for solar combistores Custom Built Systems Part 5: Performance test metods for control equipment 30

31 VDI : Jareseizzal und Jaresnutzungsgrad von Gaswärmepumpen Kurzverfaren zur Berecnung der Jareseizzal und des Jaresnutzungsgrads von Sorptionswärmepumpenanlagen. Gas- Wärmepumpen zur Raumeizung und Warmwasserbereitung Zusatzeizmodul nur wenn zusammen mit WP als eine Eineit ausgefürt Brennstoffe gemäß DVGW G 260 Gültig für Geräte bis zu 70 kw Brennstoffleistung Die Metode lent sic an DIN Heizkessel; Ermittlung des Norm- Nutzungsgrades und des Norm-Emissionsfaktors Wärmequellen: Grundwasser Erdreic (Erdwärmesonden) Luft und Solarstralung Solar: Braucwassererwärmung Heizungsunterstützung WP-Wärmequelle Wärmesenke: Warmwasser-Zentraleizung Braucwasser 31

32 i i Jareseizzalen el i i t i i P P Jares- Nutzungsgrade i i N i t i i P X z S ) (1 1 w el w w w P P X N S N 1 w w w N P Gesamt-Jareszal und -Nutzungsgrad w WP y y 1 1 w N N WP N y y 1 1 Jareseizzal und Jaresnutzungsgrad 32

33 VDI : Prüf- und Randbedingungen VL- und RL-Temperaturen für die Bestimmung der Teillast-Nutzungsgrade Wärmequelle Erdreic und Luft Für Wärmequelle Grundwasser sind Umrecnungsfaktoren vom Erdreic für Teillast- Nutzungsgrade angegeben (7 C und 10 C) Für Wärmequelle Solarstralung wird die Eintrittstemperatur in den Verdampfer e nac Aperturfläce angeoben (etwa 2-6 C für 2-8 m 2 ) 33

34 EN12309: Überblick EN12309: Gasbefeuerte Sorptionsgeräte für Heizung und/oder Külung mit einer Nennwärmebelastung nict über 70 kw Teil 1: Begriffe Teil 2: Sicereit Teil 3: Prüfbedingungen Teil 4: Prüfverfaren Teil 5: Anforderungen Teil 6: Berecnung der saisonalen Effizienzkennzalen Teil 7: Spezifisce Bestimmungen für Hybridanlagen Teil 8: Umweltaspekte 34

35 EN12309: Kennzalen Gas Utilization Efficiency Gas-Nutzungsgrad Auxiliary Energy Factor Hilfsenergiefaktor Primary Energy Ratio Primärenergieeffizienz GUE E gm AEF P E E PER gas 1 GUE 1 el 1 AEF Die gemessene Heiz- oder Külleistung wird um den Einfluss der Umwälzpumpe korrigiert effektive Heizleistung analog zu EN oder EN Gemessene elektrisce Leistung wird um die Druckverluste in allen Wärmetauscer und um den Gebläseverbrauc korrigiert analog zu z.b. EN oder EN

36 EN12309: Berecnungsmetode Drei Referenzklimadaten vorgegeben analog zu EN (A W C) Für bivalent arbeitende Systeme Zusatzeizung (Gaskessel) berücksictigt In dem Fall sind auc die Kennzalen nur für Wärmepumpe (on) zu ermitteln SGUE ( SAEF on ) m 1 m 1 P P ( T ) GUE ( AEF) ( T ) PL ( T ) SAEF ref SAEF ref ON P design ref TO H SB e OFF 36

37 EN12309: Prüfbedingungen Vorlauftemperaturen vorgegeben für drei Temperaturanwendungen: Mittel wärmer kälter und vier Wärmeabgabesysteme: Vorlauftemperaturen und 65 C Bivalenzpunkt: zwiscen T design und T bivalentupper limit. Für (A) -10 bis 2 C Teillastbedingungen gelten für Außenlufttemperaturen von und 12 C (A B C D) E und F Bedingungen entsprecen dem Bivalenzpunkt und der Betriebsgrenztemperatur (TOL) Temperatur der Wärmequelle für W/W und S/W Wärmepumpen analog zu EN Temperatur der Wärmequelle für A/W: Außenluft entsprecend A-F Abluft 20 C Messunsicereit ist z.t. angegeben als Funktion von der Teillast Messungen im Termostat aus Bereitscafts- und Aus Betrieb Zumindest 4 Betriebspunkte sollen gemessen werden für die Ermittlung von SGUE und SAEF Soll sowol für stationäre und transiente oder zyklisce Betriebsweise geeignet sein 37

38 Vergleic VDI und EN (1) VDI EN 12309:

39 Vergleic VDI und EN (2) VDI EN 12309:2012 Die Angaben zur Teillast bezieen sic auf die GWP Termisce und elektrisce Energie werden in Kennzalen zusammengezält Daten für nur ein Klima voranden Anpassungen scwierig Berecnung des bivalenten Betriebs nict möglic (außer Solarunterstützung) Heizung und Braucwasser berücksictigt Külung nict Berecnung für Hybridanlagen voranden (Black-box) Die Angeben zur Teillast bezieen sic auf die Gebäudelast Elektrisce und termisce Energien werden getrennt betractet zusammengezält im PER Daten für drei Klimata voranden Anpassung unter Umständen möglic Berecnung des bivalenten Betriebs mit Gasboiler möglic Heizung und Külung berücksictigt Braucwasser noc nict Berecnung für Hybridanlagen voranden (Black-box) 39

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