Energetische Betriebsoptimierung und Regelung von Luft-Wasser-Wärmepumpen

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1 Energetische Betriebsoptimierung und Regelung von Luft-Wasser-Wärmepumpen Zertifikatsarbeit CAS Energieeffizienz 2013 Von Thomas Lasikowski, Stefan Brägger 6. Mai 2013 Zertifikatsarbeit CAS EF 13, Institut Energie am Bau 1/30

2 Autor/innen Thomas Lasikowski MSc Ingegnere ambientale, Dipl.Ing. Reg A Casa Gioia, 6963 Cureggia IFEC Consulenze SA, Casella postale 505, 6802 Rivera-Monteceneri thomas.lasikowski@ifec.ch Stefan Brägger Dipl. El. Ing HTL Espelstrasse 45, 8308 Illnau Stadtwerk Winterthur, Untere Schöntalstrasse 12, 8406 Winterthur stefan.braegger@win.ch Der vorliegende Bericht wurde von den Studierenden des CAS Energieeffizienz im Rahmen einer Zertifikatsarbeit erarbeitet. Es muss an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass die Arbeit nicht im Rahmen eines Auftragsverhältnisses erstellt wurde. Weder die Autor/innen noch die Fachhochschule Nordwestschweiz können deshalb für Aktivitäten auf der Basis dieser Studierendenarbeit planerische Haftung übernehmen. Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 2/30

3 Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wird der optimierte Betrieb von Luft-Wasser-Wärmepumpen untersucht. Ein kostenoptimierter Betrieb zu Strom Niedertarifzeiten wird mit einem energieoptimierten Betrieb zu Zeiten mit hohen Quellentemperaturen verglichen. Es werden sowohl der Energieverbrauch, die Energiekosten, die Anlageneffizienz als auch der Nutzerkomfort berücksichtigt. Nach theoretischen Betrachtungen der Zusammenhänge und Einflussfaktoren werden mittels Polysun Wärmepumpensysteme realitätsnah simuliert. Polysun greift dabei auf Klimadaten der verschiedenen Standorte zu, verwendet die Prüfdaten von realen Wärmepumpen und berechnet das Verhalten von konkreten Gebäuden mit all ihren Eigenschaften. Die Simulation erfolgt für die drei Standorte Bern, Zermatt und Lugano. Der Betrieb von Warmwassererzeugung und Heizung wird zur Erhöhung der Transparenz separiert analysiert. Es werden keine regelbaren Wärmepumpen eingesetzt, da diese in Polysun noch nicht unterstützt werden. Die Analysen zeigen, dass durch eine Verschiebung der Betriebszeit von Luft- Wasser-Wärmepumpen Energie in der Grössenordnung von einigen Prozent eingespart werden kann. Für einen durchschnittlichen Standort wie Bern beträgt die Einsparung in der geprüften Konfiguration 5%. Die Jahresarbeitszahlen erhöhen sich dabei für den Warmwasserbetrieb um 5% und für den Heizungsbetrieb um knapp 4%. Die Komfortbedingungen können für alle Betriebsfälle eingehalten werden. Am kostengünstigsten ist nach wie vor der Betrieb zu Niedertarifzeiten. Die energieoptimierte Variante zeigt trotz Energieeinsparungen, Mehrkosten von 33%. Der energieoptimierte Betrieb ist mit den in der Arbeit verwendeten einfachen Steuerungen nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht begründbar. Die Verhältnisse sind an den Standorten Zermatt und Lugano bei der Warmwassererzeugung ähnlich. Bei der Heizung gehen die Werte deutlich auseinander. Während in Lugano eine Einsparung bis 10 % berechnet wurde, ist diese in Zermatt gerade mal 3%. Die Analysen zeigen auch, dass durch den Einsatz von regelbaren Wärmepumpen und intelligenten Steuerungen die Optimierungspotentiale deutlich besser ausgenutzt werden könnten. Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 3/30

4 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Zusammenhänge und Einflussgrössen Funktion Luft-Wasser-Wärmepumpe Kenngrössen zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen Effizienzminderung durch Vereisungs- und Abtauungsvorgänge Einsatzgrenzen von Luft-Wasser-Wärmepumpen Leistungskurve versus Heizungsbedarf Stromtarifmodelle und Kostenoptimierung Einfluss Betriebszeiten auf die Leistungsauslegung Zwischenspeicher Nutzung der Wärmekapazität der Gebäudemasse Wärmespeicherung und Auskühlverhalten in Heizpausen Vergleich Wärmeabgabesysteme Komfortbedingungen Simulation, Optimierung und Analyse Grundlagen und Eigenheiten Polysun Simulation Beschreibung Referenzszenario Vergleich und Wahl der Anlagenhydraulik Prüfung der Versorgung im Teilzeitbetrieb Wärmespeicherung und Auskühlverhalten in Heizpausen Trennung von Heizkreislauf und Warmwasser Aufbereitung Optimierungsstrategien Simulation der Optimierung für den Heizbedarf Simulation der Optimierung für den Warmwasserbedarf Zusammenzug und Gesamtanalyse Ganzjahresbetrachtung Effizienz und Kosten Anwendbarkeit der Optimierung in anderer Klimasituation Fazit Ausblick weitere Optimierungen Quellenverzeichnis Anhang A: Anhang B: Zeiteinstellungen in Polysun Berichte Polysun Simulationen Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 4/30

5 1. Einführung Ausgangslage Wärmepumpen haben in der Schweiz eine weite Verbreitung. Sie haben den Vorteil, dass sie sozusagen Gratis-Energie aus der Umwelt beziehen. Dies erfolgt meist aus einer Erdwärmesonde oder aus der Umgebungsluft. In einigen Fällen wird auch Abwärme genutzt. Aufgrund der tiefen Investitionskosten werden Luft-Wasser-Wärmepumpen relativ häufig eingesetzt. Zur Kosteneinsparung im Betrieb werden Luft-Wasser-Wärmepumpen oft während der Strom-Niedertarif- Zeiten in der Nacht betrieben. Es wird dabei ein Mehrverbrauch an Energie aufgrund der tieferen Quellentemperaturen und der damit verbundenen Minderung des Wirkungsgrades (Arbeitszahl) in Kauf genommen. Ziele der Arbeit Ziel dieser Arbeit ist es, anhand einer Beispielkonfiguration den optimalen Betrieb von Luft-Wasser-Wärmepumpen mit Fokus auf energieoptimierte Betriebszeiten zu finden. Die Komfortansprüche der Gebäudenutzer sind zu berücksichtigen. Die Unterschiede in Kosten, Energieverbrauch und Anlageneffizienz sollen aufgezeigt werden. Die Berechnungen sollen für drei unterschiedliche Klimasituationen durchgeführt werden. Abgrenzung und Definitionen In der Arbeit wird von modernen, heute verfügbaren Wärmepumpen ausgegangen. Es werden keine Optimierungen in der Wärmepumpe selbst vorgenommen. Verschiedene Produkte und unterschiedliche Konfigurationen erreichen unterschiedliche Wirkungsgrade. Hauptziel der Arbeit ist es, die Optimierungspotentiale darzustellen, weniger die optimalsten Produkte zu finden. Nicht berücksichtigt werden regelbare Wärmepumpen, da diese leider in Polysun noch nicht unterstützt werden. Vorgehen Die Arbeit basiert auf einer Standard-Wärmepumpen Konfiguration, welche zu verschiedenen Zeiten betrieben wird. Die Energieabgabe erfolgt auf ein konkretes Gebäude, welches mittels Gebäudesimulation eine reale Abnahmecharakteristik aufweist. Auch die Warmwassererzeugung arbeitet gegen ein entsprechendes Abnahmeschema. Nach den theoretischen Betrachtungen über die Zusammenhänge, die Einflussgrössen und die erwarteten Optimierungspotentiale wird die Optimierung mit Polysun 6.0 simuliert und die Resultate analysiert. Basisstandort ist Bern, ein durchschnittlicher Mittelland-Standort mit winterlichen Nebelanteilen. Zusätzlich werden Simulationen für Zermatt und Lugano durchgeführt. 2. Zusammenhänge und Einflussgrössen 2.1. Funktion Luft-Wasser-Wärmepumpe Die Luft-Wasser-Wärmepumpe ist vom Prinzip her eine Wärme-Kraft-Maschine, welche umgekehrt genutzt wird. Es wird mit Hilfe von mechanischer Antriebsenergie, Wärmeenergie von einem tiefen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Mit diesem Prinzip lassen sich die riesigen, in der Umwelt auf tiefem Temperaturniveau vorhandenen Energiemengen für Heizung und Warmwasseraufbereitung nutzen. Die zugeführte Antriebsenergie ist in der Schweiz meist Strom. Neben dem Vorteil einer an sich unerschöpflichen Wärmequelle hat die Nutzung der Aussenluft im Vergleich mit anderen natürlichen Wärmequellen auch einige Nachteile: - Grösster Heizwärmebedarf bei tiefster Quellentemperatur und tiefster Leistung der Wärmepumpe Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 5/30

6 - Sehr grosse Schwankungen der Quellentemperatur - Wärmeübergang von Luft auf Wärmetauscher ist relativ schlecht - Probleme mit Luftfeuchtigkeit und Vereisung - Lärmemissionen - Wartungsbedarf Die typischen Komponenten einer Wärmepumpenanlage sind: Der Verdampfer, welcher die Energie aus der Aussenluft aufnimmt und dabei den Flüssiganteil im zugeführten Nassdampf verdampft. Der Verdichter, welcher das kühle Niederdruck-Gas auf ein heisses Hochdruck-Gas verdichtet. Der Kondensator, welcher das heisse Gas kondensiert und dabei Energie auf hohem Temperaturniveau an das Heizsystem abgibt und das Expansionsventil, welches die noch warme Hochdruck-Flüssigkeit in kalten Niederdruck-Nassdampf umwandelt. Abbildung 1: Illustration Wärmepumpenprozess, Bild: Westfalen AG Diese Hauptkomponenten zeigen auch die wichtigsten Optimierungspotentiale einer Wärmepumpe. Zusammengefasst sind dies: - hohe Temperaturen der Umweltwärme an den Verdampfer - hoher Wirkungsgrad des Kompressors. - tiefe Vorlauftemperaturen des Heizkreises - Optimierung oder Steuerung des Expansionsmechanismus - geeignetes Kältemittel - Abtaukonzepte Die Zusammenhänge zur Optimierung werden später im Dokument im Detail dargestellt. Kältemittel: Die Wahl des richtigen Kältemittels hat wesentlichen Einfluss auf Wirkung, Konstruktionsaufwand und Energieverbrauch einer Kälteanlage. Kältemittel sollten weder brennbar, noch giftig oder korrosiv sein. Darüber hinaus sind folgende grundsätzlichen Eigenschaften gefragt: gute Mischbarkeit mit Öl, thermische und chemische Stabilität, hohe Kälte- und Wärmeleistung bei geringem Energieaufwand, günstige Druckverhältnisse, niedrige Verdichtungsendtemperatur, gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Verdichter: Aus folgenden Gründen werden oft Scroll Verdichter eingesetzt: Kompakte Bauweise, günstige Herstellung, Unempfindlichkeit gegen Flüssigkeitsschläge, wenig Verschleissteile. Der Scroll Verdichter hat aber auch Nachteile: Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 6/30

7 Nicht geeignet für hohe Temperaturhübe, fixes Volumenverhältnis, relativ laut (2 900 min -1), relativ schmales Einsatzgebiet Hubkolbenverdichter werden wieder vermehrt eingesetzt, weil sie hohe Temperaturhübe ermöglichen. Zudem haben sie einen konstanten Liefergrad und eine hohe Effizienz. Schraubenverdichter und Turboverdichter werden nur für Wärmepumpen hoher Leistung eingesetzt. (Quelle: Folien Eicher und Pauli) 2.2. Kenngrössen zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen Arbeitszahl ε bzw. COP Die Arbeitszahl ε (Epsilon) bzw. der COP-Wert (Coefficient of Performance) ist das Mass für die Effizienz einer Wärmepumpe. Sie bezeichnet das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärmeleistung und der aufgenommenen elektrischen Leistung. Die Arbeitszahl wird an definierten Betriebspunkten gemessen. Die Arbeitszahl ist stark abhängig von der Temperaturdifferenz der Wärmequelle zur Wärmesenke. Je tiefer die Temperaturdifferenz desto höher wird die Arbeitszahl der Wärmepumpe. Die theoretisch mögliche, maximale Arbeitszahl ist dabei gegeben durch folgende Gleichung nach Carnot. In der Formel werden absolute Temperaturen in K eingesetzt. Die Graphik unten zeigt die theoretische Arbeitszahl nach Carnot (COP Carnot). Deutlich zu erkennen sind die hohen Arbeitszahlen bei niedrigen Temperaturspreizungen von Wärmequelle zu Wärmesenke. Bei realen Systemen muss der Gütegrad η (Eta) der Wärmepumpe mitberücksichtigt werden. Die reale Arbeitszahl folgt demnach der Gleichung ε = ε c *η (ε=cop). Der Gütegrad ist immer kleiner 1 und bewegt sich typischerweise zwischen 0.3 und 0.6. in handelsüblichen Systemen Abbildung 2: COP in Abhängigkeit vom Temperaturhub [Stadt Zürich, Erhöhung Quellentemperatur WP 2011] Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 7/30

8 Die Jahresarbeitszahl (JAZ) Die Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Wärmepumpe stellt das Verhältnis zwischen der abgegebenen Wärmeenergie (kwh) zur aufgenommenen elektrischen Energie (kwh) im Verlauf eines Jahres dar. Je nach Systemgrenze kommen verschiedene Definitionen zur Anwendung. Zwei davon werden in der vorliegenden Arbeit verwendet. Die JAZsys beinhaltet die gesamten Energieaufwendungen für den Antrieb der Wärmepumpe und der Umwälzpumpen. Es wird die gesamte an Heizsystem und Warmwasserverbraucher gelieferte Nutzenergie berechnet. Verluste an Speicher verschlechtern diese Jahreszahl. Die JAZsys ist gut geeignet, um verschiedene Gesamtsysteme miteinander zu vergleichen. Die JAZerz beinhaltet ebenfalls die gesamten Energieaufwendungen für den Antrieb der Wärmepumpe und der Umwälzpumpen. Zudem wird die gesamte von der Wärmepumpe abgegebene Energie berücksichtigt. Verluste in nachgeschalteten Speichern haben keinen Einfluss auf die JAZerz. Die JAZerz ist gut geeignet um verschiedene Wärmeerzeuger miteinander zu vergleichen Effizienzminderung durch Vereisungs- und Abtauungsvorgänge Beim Betrieb von Luft-Wasser-Wärmepumpen wird Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft am Verdampfer in Form von Wasser oder Eis abgelagert. Während die Wasserablagerung einen positiven Einfluss auf die Effizienz aufweist, ist die Eisablagerung unerwünscht. Die Eisschicht muss in regelmässigen Abständen mittels Abtauungszyklus entfernt werden. Die Eisschicht und die Abtauung vermindern so die Effizienz und die Leistungsfähigkeit des Systems. Der Abtauungsbedarf hängt von der Luftfeuchtigkeit, der Lufttemperatur, der Verdampfertemperatur, der Verdampferoberfläche sowie der Luftmenge ab. Abbildung 3: Kondensations und Vereisungsvorgänge am Verdampfer [BFE, Bertsch Ehrbar, Hubacher 2002] Erklärung: Feuchte Luft LE wird am Verdampfer abgekühlt. Sobald der Kondensationspunkt erreicht ist, wird Wasser am Verdampfer abgelagert. Bei Verdampfer-Temperaturen unter 0 C gefriert dieses zu Eis und bleibt am Verdampfer haften. Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 8/30

9 Verschiedene Abtautechniken kommen zur Anwendung [BFE, Bertsch Ehrbar, Hubacher 2002]: - natürliches Abtauen (bei Umgebungstemperaturen von >0 möglich) - Heissgas-Abtauung (HG) - Prozessumkehr-Abtauung (PU) Natürliches Abtauen ist dabei die energieeffizienteste Methode. Voraussetzung dafür sind Umgebungstemperaturen über 0 C und genügend Stillstandzeit der Wärmepumpe. Neben der Wahl des Abtausystems entscheidet eine geschickte Steuerung der Abtauzyklen über die Effizienz des Systems. Abbildung 4: Häufigkeitsverteilung von Abtauvorgängen (gemessen 2005) [BFE, Ehrbar, Bertsch, Schwendener ] Obige Darstellung zeigt den Bedarf an Abtauungsvorgängen in Abhängigkeit der Quellentemperatur. Bei Aussenlufttemperaturen leicht über Null Grad ist der Bedarf für Abtauungen am höchsten. Bei Temperaturen darüber und darunter sinkt der Bedarf massiv. Eine Verschiebung der Betriebszeit von Luft-Wasser-Wärmepumpen von feuchtem und kühlen Nachtklima zu wärmerem und trockenerem Tagesklima wird sich positiv auf die Arbeitszahl auswirken. Die Vorteile einer Verschiebung von leicht negativen zu leicht positiven Temperaturen können unter Umständen durch Abtauvorgänge neutralisiert werden. Die Auswirkung dieser Effekte auf die Leistungsfähigkeit eines Beispielsystems sind in folgender Leistungskurve einer Luft-Wasser-Wärmepumpe erkennbar. Abbildung 5: Leistungskurve Luft-Wasser-Wärmepumpe [Stiebel Eltron] Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 9/30

10 2.4. Einsatzgrenzen von Luft-Wasser-Wärmepumpen Luft-Wasser-Wärmepumpen werden für sehr breite Einsatzbereiche hergestellt. Dies bedeutet hohe Anforderungen an die Materialien und die Konstruktion. Druck und Temperatur stehen bei einer Wärmepumpe in einem sehr engen Verhältnis. Je höher die Temperaturen, desto höher ist der Druck. Die Druckverhältnisse sind andererseits von den verwendeten Kältemitteln abhängig. Nicht jedes Kältemittel ist für jeden Einsatzbereich geeignet. Verdampfer, Kompressoren und andere Komponenten sind in der Druckfestigkeit begrenzt. Wärmepumpenhersteller suchen nach dem Optimum zwischen Funktionalität, Wirtschaftlichkeit und Dauerhaftigkeit. Nach Wärmepumpen Testzentrum WPZ Buchs sind die Einsatzgrenzen bei handelsüblichen Luft-Wasser-Wärmepumpen für die Wärmequellen im Bereich von -15 C bis +30 C., für die Wärmesenke im Bereich von +20 C bis +60 C Hersteller sprechen vom Temperaturbereich der Wärmequelle von -20 C bis +40 C und der Wärmesenke bis +65 C. Beispiel: Heliotherm HP10L, -15 C bis +40 C, Stiebel Eltron WPL15, -20 C bis +40 C, Wärmesenke +65 C Eine genauere Betrachtung zeigt, dass heutige ungeregelte Wärmepumpen kaum über einen so weiten Bereich optimal arbeiten können. Bei hohen Temperaturen ist der resultierende hohe Druck ein Problem. Handelsübliche Wärmepumpen schützen sich mit verschiedenen Massnahmen. Die Wärmepumpe von Heliotherm zum Beispiel ermöglicht Quelltemperaturen bis 40 C, indem sie die Verdampfertemperatur bewusst tief hält (viele andere Wärmepumpen benützen die gleiche Technik). Über ca C wird der Luftstrom zum Verdampfer verringert. So stellt sich eine tiefere Verdampfertemperatur ein. Dies schützt das System vor Überdruck Problemen. Hohe Vorlauftemperaturen über 20 C führen aus diesem Grund nicht mehr zu verbesserten Arbeitszahlen der Wärmepumpe. Die Funktion bis 40 C ist garantiert, was trotzdem von Vorteil ist. Die Graphik unten zeigt ein typisches Einsatzfeld einer Luft-Wasser-Wärmepumpe mit und ohne regelbarem Verdampferluftstrom. Abbildung 6: Einsatzbereich Luft-Wasser-WP [Armec Sagl] 2.5. Leistungskurve versus Heizungsbedarf Ein grundlegendes Problem von Luft-Wasser-Wärmepumpen für den Heizungsbedarf sind die gegenläufigen Kennlinien von Erzeugungsleistung und Wärmebedarf. Gerade bei sehr tiefen Aussentemperaturen mit dem grössten Wärmebedarf bringt die Standard-Wärmepumpe die geringste Wärmeleistung. In der Praxis wird aus diesem Grund die Luft-Wasser-Wärmepumpe tendenziell leistungsstark dimensioniert. Bei Auslegetemperatur soll die gewünschte Leistung bei der vorgegebenen Betriebszeit erbracht werden. Dabei wird meist noch ein Leistungszuschlag eingerechnet, damit sicher immer genügend Heizwärme zur Verfügung steht. Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 10/30

11 Heizgrenze Abbildung 7: Leistungskurve Wärmepumpe versus Wärmebedarf [Elco Fachinfo] Die Anzahl Stunden mit sehr tiefen Temperaturen und maximalem Heizbedarf ist klein (siehe Graphik unten). Herkömmliche Luft-Wasser-Wärmepumpen sind daher für die häufigsten Betriebssituationen deutlich überdimensioniert. Die oft zu hohe Leistungsabgabe bewirkt häufige Start-Stop-Zyklen und erhöhte Vorlauftemperaturen des Heizkreises. Dies wirkt sich negativ auf die Arbeitszahl aus. Abhilfe schaffen hier geregelte Wärmepumpen, wie sie neu auch im Ein- und Mehrfamilienhaus-Bereich vereinzelt angeboten werden. Geregelte Wärmepumpen werden in der aktuellen Version von Polysun nicht unterstützt. Ein entsprechendes Projekt ist in Arbeit. Eine Optimierung mittels geregelter Wärmepumpe wird in dieser Arbeit, wie in der Einleitung erwähnt, nicht weiter untersucht. Abbildung 8: Häufigkeiten von Aussentemperaturen in Bern nach SIA 2028 Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 11/30

12 2.6. Stromtarifmodelle und Kostenoptimierung Ein Grossteil der Schweizer Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU) arbeitet heute mit zeitbasierten Tarifmodellen. Meist sind dies Hochtarif-Niedertarif Modelle. Es bestehen die unterschiedlichsten Tarifzeitmodelle. Zudem hat jedes EVU unterschiedliche Strompreise. Zur Erhöhung der Vergleichbarkeit wird ein durchschnittliches Tarifmodell wie folgt für alle Berechnungen angewendet: Hochtarif: 18Rp./kWh 6:00 bis 21:00 Niedertarif: 10Rp./kWh 21:00 bis 6:00 Ausblick Entwicklung Tarifzeiten Wie die Erfahrungen aus Deutschland zeigen, werden sich die Netzverhältnisse mit Einführung grösserer Mengen an Photovoltaik Strom deutlich verändern. Die Entwicklung wird von der heutigen Stromknappheit in einigen Jahren zu einem deutlichen Stromüberschuss über Mittag führen. Es ist zu erwarten, dass zu gegebener Zeit die Stromtarifmodelle angepasst werden. Zudem ist es wahrscheinlich, dass die Lastregelung höheren Stellenwert erhält. Sperrzeiten werden sich weg vom Mittag hin zu Morgen oder Abendstunden verschieben. Die in dieser Arbeit untersuchten Szenarien werden daher in späterer Zukunft auch wirtschaftlich an Relevanz gewinnen. Abbildung 9: Beispiel Tagesverlauf Solarstrom Erzeugung [Suncontrol-portal] 2.7. Einfluss Betriebszeiten auf die Leistungsauslegung Da Strom in der Nacht günstiger ist, werden Luft-Wasser-Wärmepumpen oft in der Nacht betrieben. Aufgrund der eingeschränkten Betriebszeiten muss die Anlage für diesen Betrieb nochmals deutlich leistungsstärker sein. Die tieferen Nachttemperaturen bieten zudem schlechtere Grundbedingungen für einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe. Auch bei Quasi 24 h Betrieb muss auf die Sperrzeiten der Energieversorger geachtet werden. Es ist üblich, dass die Wärmepumpen während der Lastspitzen im Stromnetz nicht betrieben werden dürfen. Eine entsprechende Leistungsvorhaltung ist vorzusehen Zwischenspeicher Oft werden Heizsysteme mittels Parallelspeichern im Heizkreis betrieben. Dies hat insbesondere beim Einsatz von Wärmepumpen Nachteile. Parallelspeicher werden meist mit einer erhöhten Vorlauftemperatur vorgeladen und dann über den Heizkreis entladen. Die erhöhte Ladetemperatur und die Speicherverluste wirken sich negativ auf die Systemeffizienz aus. Im Bereich der EFH mit Bodenheizung werden aus diesem Grund oft speicherlose Systeme verwendet. In Leichtbauhäusern mit Radiatoren und eingeschränkten Betriebszeiten des Heizsystems sind Zwischenspeicher notwendig. Die Speicherung erfolgt in diesen Fällen meist mit grossen Wasserspeichern. Als Beispiel sei hier ein Speicher von l Inhalt aufgeführt. Dieser kann bei einer nutzbaren Temperaturspreizung von 20 C eine Energie von 1000*20*4.18 */3600 = 23 kwh Speichern. Dies (entspricht dem Energieinhalt von ca. 2.3 l Heizöl. Eine 10kW Heizung füllt den Speicher in 2h 18 min. Bei 5kW Entnahmeleistung wird er in knapp 5h wieder entladen. Das Beispiel Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 12/30

13 zeigt, dass relativ grosse Wasserspeicher zur Zwischenspeicherung von Wärme notwendig sind. Zudem ist die Speicherung verlustbehaftet. Bei Speichern für grosse Energiemengen und begrenzten Platzverhältnissen kann der Einsatz von Phasenwechsel-Medien in Betracht gezogen werden. Mit dieser Technik kann das Volumen reduziert werden. Mit der Verkleinerung des Volumens sinken auch die Verluste. Phasenwechsel-Speicher werden in der Praxis noch selten eingesetzt Nutzung der Wärmekapazität der Gebäudemasse In massiv gebauten Häusern bietet die Gebäudemasse meist genug Speicherkapazität, um das Raumklima über viele Stunden im Komfortbereich zu halten. In gewissen Fällen kann in Betracht gezogen werden, die Gebäudemasse zeitweise bewusst durch leicht erhöhte Temperaturen vorzuladen. Damit könnte sichergestellt werden, dass die Komfort-Parameter in jedem Fall eingehalten werden. Bei diesem Vorgehen muss aber berücksichtigt werden, dass bereits eine kleine Erhöhung der Soll Temperatur zu einer deutlichen Erhöhung des Verbrauchs führt. Als Faustregel wird hier oft folgender Zusammenhang angeführt: Ein Grad mehr führt zu 6-8 % höherem Energieverbrauch. Eine Erhöhung der Solltemperatur zur Sicherstellung eines prozentigen Komforts muss also sehr genau gegen andere Nachteile abgewogen werden. Zudem ist eine zeitweise Anhebung der Solltemperatur in vielen Anwendungsfällen wegen dem Einsatz von Thermostatventilen nicht möglich. Diese schliessen bei Erreichen der Solltemperatur, so dass eine gezielte Vorladung der Gebäudemasse verhindert wird Wärmespeicherung und Auskühlverhalten in Heizpausen Das Auskühlen eines Gebäudes oder Raumes folgt einer Exponentialfunktion. Die Auskühlung ist dabei abhängig von der Fläche und dem U-Wert des Gebäudes, der Wärmespeicherkapazität des Gebäudes sowie der Temperaturdifferenz. ΔT(0) ΔT(t) Anfangstemperatur Differenz bei t Zeitkonstante (tau) Abbildung 10: Berechnung des Auskühlverhaltens [Zürcher 2010] Vergleich Wärmeabgabesysteme Die Wärmeabgabesysteme Heizkörperheizung und Fussbodenheizung haben beide ihre Vor-und Nachteile. Für den Einsatz mit Wärmepumpen sind Bodenheizungen aufgrund der tiefen Vorlauftemperaturen die ideale Wahl. Vorteile einer Fussbodenheizung: grosse Wärmeabgabe bei tiefer Vorlauftemperatur und hohe Effizienz von Wärmepumpen, gute Temperaturverteilung über die Raumhöhe, hohe Wärmespeicherung im Unterlagsboden, Selbstregeleffekte, gewisses Potential zur Kühlung. Die Nachteile: Trägheit, kalter Boden bei Steinplatten, nach Erstellung nicht mehr zugänglich, möglicher Kaltluftabfall z.b. an Fenstern. Vorteile einer Heizkörperheizung: rasche Reaktion auf Bedarfssituation, Zugänglichkeit, Tagesstrahlung kann im Boden aufgenommen werden. Vermeidung von Kaltluftabfall an kritischen Stellen. Nachteile: höhere Vorlauftemperaturen, geringe Speicherkapazität bei Unterbrechungen, Raumverlust. Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 13/30

14 2.12. Komfortbedingungen Das Behaglichkeitsempfinden des Menschen hängt von diversen Faktoren ab. Im Zusammenhang mit der Gebäudesituation sind Ansprüche bezüglich Temperatur, Luftqualität und Luftzug im Vordergrund. - Einflüsse des Raumes o mittlere Oberflächen-Temperaturen (Strahlungstemperatur) der umgebenden Flächen o örtliche Wärmestrahlungen von Geräten, Heiz- und Kühlflächen - Einflüsse des Menschen o Zusammenhänge mit der Tätigkeit (met-wert) o Bekleidung (clo-wert) - Einflüsse der Lüftungs- oder Klimaanlage o Raumlufttemperatur o Luftbewegung (Geschwindigkeit, Richtung, Turbulenz) o relative Raumluftfeuchtigkeit Raumtemperatur und Werte für die Bekleidung Der clo Wert ist ein Mass für den Wärmedämmwert der Bekleidung eines Menschen. Clo 1 entspricht einer typischen Haushaltsbekleidung im Winter. In SIA 383/1 wird für den Bereich mit Heizbedarf von einem clo Wert von 0.8 bis 1 ausgegangen. In SIA 382/1 ist der Bereich der Raumtemperatur entsprechend der Aussentemperatur definiert. In der Heizperiode sind Temperaturen zwischen 21 und 24.5 C vorgesehen. In SIA 2024 ist die Auslegetemperatur für Wohnräume heute auf 21 C festgelegt (Bereich C). In SIA wird der Komfortbereich für die Personenklasse B (10% unzufriedene) mit C definiert. Für die vorliegende Arbeit wird ausgehend von den verschiedenen Normen mit einer Solltemperatur von 21 C gearbeitet. Schwankungen in positive und kleinere Schwankungen in negative Richtung werden akzeptiert. Die Raumtemperatur soll dabei immer über 20 C liegen. Abbildung 11: SIA382/1 Raumtemperaturbereich nach Aussentemperatur 3. Simulation, Optimierung und Analyse 3.1. Grundlagen und Eigenheiten Polysun Simulation Zeitsystem In der vorliegenden Arbeit wird mit Zeitschaltuhren und Stromtarifzeiten gearbeitet. Es ist dazu wichtig, die Eigenheiten des Polysun Zeitsystems zu verstehen. Polysun verwendet ein lineares Zeitsystem in welchem die Stunden des Jahres durchnummeriert sind. Die Stunde Null definiert dabei den Zeitraum von 00:00 bis 01:00 des ersten Tages im Jahr. Die Stunde 24 repräsentiert den Zeitraum von Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 14/30

15 00:00 bis 01:00 des zweiten Tages im Jahr. Die letzte Stunde des Jahres hat demnach die Bezeichnung Es wird mit Normaljahren (kein Schaltjahr) gearbeitet. Bei der Arbeit mit Stromtarifzeiten können die entsprechenden Angaben in Excel bedarfsgerecht umgerechnet und die Tarifzyklen dazu definiert werden. Eine Eigenheit ist bei der Verwendung von Schaltuhren in Polysun zu beachten. In Schaltuhren werden die Zeiten von 1 bis 24 definiert. Wenn ein Prozess in der Polysun Stunde Null von 00:00 bis 01:00 aktiv sein soll, muss in der Schaltuhr die Eins aktiviert werden. Die folgende Graphik zeigt die Einstellung für eine Betriebszeit von 21:00 bis 6:00 Abbildung 12: Polysun Zeitschaltuhr 21:00 bis 6:00 eingeschaltet Alternativ zur Schaltuhr können Schaltvorgänge auch in einem Schaltprofil hinterlegt werden. Dabei müssen die Angaben in Form von Jahressekunden bereitgestellt werden. Die letzte Sekunde des Jahres hat dann die Nummer 31'535'999. Das Vorbereiten eines komplexeren Schaltprofils kann in Excel erfolgen. Eine Kombination von Schaltprofil und Schaltuhr ist nicht möglich. Um die vorliegende Arbeit nachvollziehbar zu halten, wird auf die Verwendung von externen Schaltprofilen verzichtet. Grenzen der Simulation: Im Analysetool Polysun ist eine grosse Anzahl von Anlagenschemen vorhanden, was eine rasches Arbeiten für Standardaufgaben ermöglicht. Bei Bedarf kann die Hydraulik an die eigenen Bedürfnisse angepasst werden. Eine genauere Analyse der Anwendung der verschiedenen Regler zeigt, dass die notwendige Flexibilität für eine erweiterte Optimierung über Betriebszeiten und weiterer Parameter nicht ausreicht. Bei den bestehenden Reglern ist es teils schwierig nachzuvollziehen, nach welchen Algorithmen sie arbeiten. Dies trifft insbesondere beim kombinierten Betrieb von Heizung und Warmwassererzeugung zu. Die Detailresultate von Kombisystemen sind dadurch schwierig nachzuvollziehen. Weitere Einschränkungen sind: Keine leistungsgeregelten Wärmepumpen. Keine Kontrolle über die Abtauvorgänge. Keine Nutzung von Heissgas zur optimierten Erzeugung von Warmwasser. Keine variable Kontrolle der Haustemperatur (vorladen Gebäude auf leicht höherem Temperatur Niveau vor Pausezeiten). Radiatoren und Bodenheizung reagieren gleich in der Wärmeabgabe (hier hätten wir Unterschiede aufgrund der Speicherfähigkeit der Materialien erwartet) Beschreibung Referenzszenario Die Analysen werden an einem konkreten Objekt für die Standorte Bern, Zermatt und Lugano durchgeführt. Basisstandort ist Bern. Klimadaten [SIA 2028]: Standort MüM DurchschnTemp [ C] Globalstrahlung [MJ/m 2 ] DurchschnFeuchte [g/m 3 ] Bern Zermatt Lugano Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 15/30

16 Wahl Gebäude Es wird ein Einfamilienhaus Niedrigenergiegebäude aus dem Katalog von Polysun gewählt. Die Konstruktion weist einen mittleren U-Wert von 0.35 W/(m 2 K) auf. Dies entspricht einem gewichteten Wert einer heutigen Neukonstruktion, welche die Einzelanforderungen der SIA Norm 380/1 erfüllt (U-Wert Fenster 1.3 W/(m 2 K), opake Bauteile 0.2 W/(m2K), Fensteranteil Fassade S/O 25%, W 6%, N 13%). Der Luftwechsel beträgt 0.3 h -1, ein hygienisch erforderlicher Luftwechsel für Gebäude ohne mechanische Lüftung nach SIA Die spezifische Heizlast von 55 W/m 2 ist relativ hoch, wird aber so übernommen (so werden Räume mit hohem Glasanteil oder komplizierter Geometrie gedeckt). Der spezifische Heizenergiebedarf von 30 kwh/m 2 entspricht einem Niedrigenergiehaus. Die Wärmekapazität des Gebäudes von 750 kj/(m2k) entspricht einer schweren Bauweise. Für die Heizgradtage HGT20/12 wird für die Raumlufttemperatur ti = 21 C und die Heizgrenze tgr = 13 C angenommen (SIA definiert eine Heizgrenze von 12 C bei 20 C Raumtemperatur und 14 C bei 22 C Raumtemperatur). Nach SIA 2024 besteht eine Warmwasserbedarf von 50 l/(d P). Wahl Wärmepumpe Die Wärmepumpe wird so dimensioniert, dass sie den Warmwasser und Heizungsbedarf meistens auch bei eingeschränkter Betriebszeit zur Verfügung stellen kann. Andererseits soll sie nicht überdimensioniert sein. Eine Wärmepumpe mit einer Leistung in der Grössenordnung von 10kW (A2/W35) wird dieser Aufgabe gewachsen sein. Da Polysun noch keine regelbaren Wärmepumpen handhaben kann, werden solche nicht in Betracht gezogen. Eine gute Marktübersicht effizienter Wärmepumpen ist auf zu finden. Andererseits helfen die Prüfresultate des Wärmepumpenzentrums Buchs [WPZ Prüfresultate Luft-Wasser-Wärmepumpen 2013]. Es wurden die Luft-Wasser-Wärmepumpen von drei Herstellern genauer analysiert. Die Auswahlkriterien waren: Leistung, Kältemittel R410, Scroll Verdichter, gute Arbeitszahlen. Details zum Innenleben und zu Abtaukonzepten sind meist nicht öffentlich. Die Auswahl erfolgte zwischen den Wärmepumpen Belaria von Hoval, LW70M von Alpha Inno Tec und HP10L von Heliotherm Wärmepumpentechnik. Aufgrund seiner über weite Bereiche guten Leistungsdaten und Arbeitszahl, fällt die Wahl auf die Heliotherm HP10L. Die folgende Tabelle zeigt die Leistungsdaten der Wärmepumpe: Erste Simulationen zeigen, dass die Gewählte Wärmepumpe die Aufgabe erfüllen kann Vergleich und Wahl der Anlagenhydraulik Im folgenden werden verschiedene Anlagenhydrauliken in Bezug auf die Effizienz miteinander verglichen. Es soll die effizienzteste Anlagenkonfiguration für den gegebenen Einsatzzweck gefunden werden. Dazu werden bestehende Schaltungsvarianten in Polysun verwendet. Für die Vergleichbarkeit werden diese mit weitgehend einheitlichen Anlagekomponenten versehen. Für alle Anlagen gilt: Klimaumgebung Bern, Bodenheizung mit 35/30 C, Keine Zusatzheizungen, Warmwasserboiler mit 300 l. Für eine aussagekräftige und nachvollziehbare Simulation werden Systeme mit getrennten Speichern für Heizung und Warmwasser betrachtet. In Polysun sind mehrere typische Hydraulikschemas hinterlegt. Vier davon werden einer Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 16/30

17 genaueren Prüfung unterzogen. Die für den gegebenen Anwendungsfall effizienteste Variante wird weiterverwendet. Polysun STASCH 2 Energieaufn. Energieabg. WP direkt auf Bodenheizung + Warmwasser, gesteuert über Umwälzpumpen JAZ Sys 3'428 kwh 11'726 kwh 3.42 Abbildung 13: Anlageschema STASCH 2 Polysun 16f Energieaufn. Energieabg. WP direkt auf Bodenheizung + Warmwasser über 3 Weg Ventil gesteuert JAZ Sys 3'307 kwh 11'426 kwh 3.46 Abbildung 14: Anlageschema 16f Polysun 16b Energieaufn. Energieabg. WP über Pufferspeicher auf Bodenheizung + Warmwasser gesteuert über 3 Weg Ventil JAZ Sys '587 kwh 3.48 Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 17/30

18 Abbildung 15: Anlageschema 16b Polysun STASCH 6 Energieaufn. Energieabg. WP über Pufferspeicher auf Bodenheizung + Warmwasser gesteuert über Umwälzpumpen JAZ Sys 3'478 kwh Abbildung 16: Anlageschema STASCH 6 Das System mit Anlageschema 16f ohne Pufferspeicher im Heizkreis und mit 3 Weg Ventilen zeigt in der Simulation die geringste Energieaufnahme der vier Anlagen. Dies ist zu erklären durch tiefe Vorlauftemperaturen aus der Wärmepumpe und teilweise Vermeidung von Speicherverlusten Prüfung der Versorgung im Teilzeitbetrieb Für das Anlageschema 16f und die gewählte Wärmepumpe wird geprüft ob die Niedertarif Zeit ausreicht um sowohl Warmwasser, wie auch Heizwärme über das ganze Jahr zur Verfügung zu stellen. Dazu werden in der Heizungssteuerung die Hochtarif Zeiten gesperrt. Aufgrund der Simulation mit Polysun stellt sich bei 8 Stunden Betrieb ein Energiedefizit von 4.5% ein, Bei 9 Stunden 2.3% und bei 10 Stunden 1.2% bei 11 Stunden 0.8%. Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 18/30

19 Abbildung 17: Einstellmöglichkeiten Zeitschaltuhr Der Test zeigt, dass die gewählte Wärmepumpe auch bei Einschränkung der Betriebszeit die Versorgung des Gebäudes sicherstellen kann Wärmespeicherung und Auskühlverhalten in Heizpausen Aus dem Verlauf der Gebäudetemperatur in der Simulation wird ersichtlich, dass die Gebäudemasse genug gross ist, um die Temperatur ausserhalb der Wärmepumpen Betriebszeiten stabil zu halten. Die Anlage 16f soll somit für die weitere Betriebsoptimierung verwendet werden. Abbildung 18: Temperaturverlauf Gebäude mit und ohne solare Gewinne 3.6. Trennung von Heizkreislauf und Warmwasser Aufbereitung Mit den in Polysun verwendeten Kombireglern ist es relativ schwierig, einzelne Anlagekomponenten zu optimieren. Um nachvollziehbare Resultate zu erhalten, werden die Schaltungen für Warmwasser und Heizbetrieb für die Analysen in zwei Anlageschemen separiert und getrennt untersucht. Um ein realistisches Gesamtsystem zu erhalten, werden über die Zeitsteuerung Nutzungsfenster für Warmwasser-Aufbereitung und Heizungsbetrieb definiert. Somit kann die Komplettanlage realistisch getrennt simuliert werden. Die folgenden zwei Graphiken zeigen die separierten Anlagen. Abbildung 19: Anlageschema Gebäudeheizung Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 19/30

20 Abbildung 20: Anlageschema Warmwassererzeugung 3.7. Optimierungsstrategien Analyse Verlauf der Tagestemperatur: Die Wetterdaten für Bern aus Polysun wurden mit Hilfe von Zusammenzügen und Berechnungen in Excel analysiert. Es wurden dabei über die Betrachtungsperiode gemittelte Tagesstundenwerte betrachtet. Die folgende Abbildung zeigt die saisonal gemittelten Tagestemperaturverläufe für Bern. Abbildung 21: Tagesverlauf Aussentemperatur Referenzstandort Bern Optimierung genutzte Lufttemperatur Es zeigt sich, dass die Spreizung zwischen Tag und Nacht im Frühjahr und Sommer grösser ist als im Herbst und Winter. Die Minimal- und die Maximaltemperatur unterscheiden sich für diesen Standort im Sommer um 8.2 K, im Winter nur um 4.6 K. Erschwerend kommt hinzu, dass aufgrund der langen Laufzeiten der Wärmepumpe im Winter die effektiv nutzbare durchschnittliche Temperaturoptimierung geschmälert wird. Auch im kostenoptimierten Betrieb wird die Wärmepumpe zum Beginn der Niedertarifzeit (in unserer Betrachtung um 21:00) und somit oberhalb der minimalen Nachttemperatur betrieben. Für die Warmwasseraufbereitung im Sommer mit kürzerer Betriebszeit pro Tag ergibt sich eine Optimierungsmöglichkeit der Quellentemperatur um ca. 3.7 K. bei einem unteren Quelltemperaturniveau von ca. 20 C Für den Heiz- und Warmwasserbetrieb im Winter mit beispielsweise 8 Betriebsstunden ergibt sich eine Optimierungsmöglichkeit von 2.8 K bei einem unteren Quelltemperaturniveau von 2.4 C. Da nicht immer Heizbedarf für 8h besteht, sind diese Werte immer noch leicht höher als der Durchschnitt in der Realität. Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 20/30

21 Abschätzung des Optimierungsfaktors In Kapitel 2.2 wurde die Arbeitszahl auf der Basis der Carnot Beziehungen behandelt. Auf dieser Basis wird jetzt die maximal mögliche Optimierung der Arbeitszahl aufgrund der Temperaturerhöhung berechnet. Die Carnot Arbeitszahl berechnet sich nach: COP Carnot = ε WPCarnot = T1/ (T1-T2) T1 = Temperatur Heizkreis, T2 = Umgebungstemperatur Zusätzlich muss der Gütegrad des Systems mitberücksichtigt werden. COP = ε WP = ε WPCarnot * η WP η WP = Gütegrad der Wärmepumpe Im nächsten Schritt soll der maximal mögliche Optimierungsfaktor durch die Temperaturerhöhung bestimmt werden. COP oben / COP unten = (ε WPCarnotOben * η WP ) / (ε WPCarnotUnten * η WP ) Es wird davon ausgegangen, dass der Gütegrad bei diesen kleinen Temperaturunterschieden konstant bleibt. Ebenso wird eine gleich bleibende Vorlauftemperatur des Heizkreises zu Grunde gelegt (dies wird später für den konkreten Fall der nicht regelbaren Wärmepumpe teilweise widerlegt). Durch einsetzen der Carnot Grundformel und Kürzen ergibt sich folgende Berechnungsregel, für den maximalen Optimierungsfaktor. Optimierungsfaktor = (T1 T2 unten ) / (T1-T2 oben ) Für den Standort Bern und Betrieb für Heizung (8h Mittel) und Warmwasser separat ergibt dies maximale Optimierungspotentiale wie folgt: Kostenoptimierter Betrieb zu Niedertarifzeiten In der Praxis wird der Heizbetrieb und die Warmwassererzeugung in der kostenoptimierten Variante mit Beginn des Niedertarifs gestartet. Aus Sicht der Quellentemperatur ist dieser Zeitpunkt innerhalb der Niedertarifzeiten optimal, da Anfangs mit den noch höheren Aussentemperaturen gearbeitet wird. Eine einfache Zeitschaltung kann zur Bestimmung der Betriebszeiten eingesetzt werden. Für die Analyse der Niedertarifoptimierung wird eine Freischaltung für Warmwasser und Heizung zusammen von 21:00 bis 6:00 eingestellt. Dies ergibt maximale 9 h Betriebszeit. Um den Rest in Zeiten hohen Bedarfs zu decken, werden noch einzelne Stunden nach 6:00 dazugegeben. Wie in Kapitel 3.6 beschrieben werden die Betriebszeiten zu Analysezwecken zwischen Heizung und Warmwasser aufgeteilt. Folgende Betriebszeiten werden gewählt: - Heizung 22:00-5:00 (Hauptheizung) 6-8 (Nachheizung) (Polysun Schaltuhr, und 7..9) - Warmwasser 21:00-22:00 (Hauptladung) und 5:00 6:00 (Zusatzladung) (Polysun Schaltuhr 22 und 6) Falls in einem der Szenarien der Energiebedarf nicht grösstenteils gedeckt ist, werden weitere Stunden gegen hinten, in Extremfällen auch vorne angehängt. Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 21/30

22 Abbildung 22: Einstellung Schaltuhr für Heiz und Warmwasser Betrieb Optimierung durch günstigere Wahl der Betriebszeiten Aus der Betrachtung des Temperaturverlaufs kann gelesen werden, dass um ca. 15:00 typischerweise das Maximum der Tagestemperaturen erreicht wird. Einfach betrachtet könnte somit mit Schaltzeiten von 11:00 bis 19:00 die optimalen Aussentemperaturen genutzt werden. Eine Betriebszeit von acht Stunden ist nur in Extremsituationen notwendig. Typischerweise sind die Betriebszeiten kürzer. Eine Wahl der Freigabezeiten ab 13:00 optimiert das Resultat weiter. Die Betriebszeit wird wie folgt aufgeteilt: - Heizung 13:00-16:00 und 17:00 bis 23:00 (Polysun Schaltuhr und ) - Warmwasser 16:00-17:00 und 23:00-24:00 (Polysun Schaltuhr 17 und 24) Falls in einem der Szenarien der Energiebedarf nicht grösstenteils gedeckt ist, werden weitere Stunden gegen hinten angehängt. Abbildung 23: Einstellung Schaltuhr für Heiz und Warmwasser Betrieb 3.8. Simulation der Optimierung für den Heizbedarf Als Basis für die Optimierungssimulation für den Heizbedarf wird das separierte Anlagenschema gemäss Graphik unten verwendet. Es werden nacheinander die zwei Szenarien Niedertarifoptimiert und Energieoptimiert geprüft. In der folgenden Tabelle sind die Resultate der Simulation aufgelistet. Zusätzlich werden die verschiedenen Jahresarbeitszahlen sowie die prozentuale Optimierung berechnet. Abbildung 24: Anlageschema Gebäudeheizung Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 22/30

23 Bei optimiertem Betrieb zu Niedertarif Zeiten ergibt sich mit den gewählten Komponenten bereits eine ansehnliche JAZsys von Diese kann durch die Erhöhung der Quellentemperatur in der Variante Energieoptimiert auf 4.42 gesteigert werden. Die JAZsys erhöht sich so um 3.7 %. Analyse Verhalten Quellentemperatur, Anlagenleistung, Vorlauftemperatur Die Analyse zeigt, dass die Optimierung den theoretisch angenäherten Wert nicht erreichen kann. Grund dafür ist ein teilweise selbstkompensierender Effekt im Zusammenhang mit den verschiedenen Temperaturniveaus. Da die abgegebene Leistung der Wärmepumpe bei höheren Quellentemperaturen ansteigt, steigt bei gleich bleibender Last auch die Vorlauftemperatur des Heizkreises. Diese erhöhte Temperatur bewirkt, dass ein Teil der Optimierung der JAZ wieder zunichte gemacht wird. Die Detailanalyse dieses Effektes ist in der untenstehenden Grafik visualisiert. Eine Änderung der Aussentemperatur um +14 bewirkt aufgrund der höheren Wärmepumpen-Leistung eine Erhöhung der Vorlauftemperatur um 6.5. In der Praxis kann somit in Anlagen ohne Regelung der Wärmepumpe nur ein Teil des Optimierungspotentials genutzt werden. Abbildung 25: Verhältnisse Vorlauftemperatur zur Aussentemperatur Einsparung durch verminderte Energieabgabe an Nutzer Ein weiterer Effekt aus der Analyse der Verbräuche zeigt, dass sich der Energiebedarf (Energie an Nutzer) des Systems im Szenario energieoptimiert ebenfalls um ca. 1.7% verringert hat. Diese Verringerung ist auf eine Verschiebung der Heizungsfreigabe auf die Zeit nach dem Mittag zurückzuführen. Der Einfluss der Sonnenenergie durch Fenster macht sich hier bemerkbar. Da der Heizbedarf erst nach Nutzung der solaren Einstrahlung bestimmt wird, ist dieser automatisch energieoptimiert. Ein Nachteil davon ist der längere Zeitraum, der bei bedecktem Wetter ohne Energiezufluss überbrückt werden muss. Die Zeiten mit etwas geringerer Raumtemperatur werden so etwas erhöht. Der Effekt der verminderten Energieabgabe an den Nutzer schlägt sich im Jahresverbrauch und in den Jahreskosten nieder, nicht aber in der JAZ des Systems. Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 23/30

24 Abbildung 26: Analyse Häufigkeit Stundentemperaturen Bern Die Analyse der Stundentemperaturen zeigt, dass in beiden Varianten die anfangs definierten Komfortbedingungen eingehalten werden können. In der energieoptimierten Variante fallen die Temperaturen etwas öfter leicht unter 21. Andererseits wird ein Überheizen verhindert. In beiden Szenarien treten vereinzelt Stundenwerte gegen 20 Grad auf. Diese sind durch die eingeschränkten Betriebszeiten zu begründen. Eine intelligente Steuerung kann in Mangelzeiten die Betriebszeit verlängern, wodurch Temperaturen unter 20.5 ganz ausgeschlossen werden können Simulation der Optimierung für den Warmwasserbedarf Als Basis für die Optimierungssimulation für den Warmwasserbedarf wird das separierte Anlagenschema gemäss Graphik unten verwendet. Es werden nacheinander die zwei Szenarien Niedertarifoptimiert und Energieoptimiert geprüft. In der folgenden Tabelle sind die Resultate der Simulation aufgelistet. Abbildung 27: Anlageschema Gebäudeheizung Zum Vergleich mit anderen Methoden zur Warmwassererzeugung wird die JAZerz betrachtet. Eine JAZerz als Arbeitszahl des Erzeugers von 3.4 ist für eine Luft- Wasser-Wärmepumpe im Bereich der Warmwassererzeugung ein sehr guter Wert. Immerhin ist durch die Verschiebung der Betriebszeiten eine Optimierung der JAZ im Bereich von 4.2 bis 5.3 % erfolgt. Auch bei der Warmwasser-Erzeugung zeigt sich, dass die theoretisch angenäherten Optimierungswerte nicht erreicht werden können. Die Begründung dazu ist die erhöhte Leistung der Wärmepumpe und damit höhere Vorlauftemperaturen in die Wärmetauscher. Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 24/30

25 3.10. Zusammenzug und Gesamtanalyse Zur Analyse des Gesamtsystems werden die oben betrachteten Daten zu einem Gesamtsystem zusammengeführt. Da die Teilsysteme zeitlich separiert betrieben wurden, ergibt sich so eine repräsentative Gesamtanalyse. Die JAZsys des Gesamtsystems konnte durch die Optimierung von 3.60 auf 3.75 gesteigert werden. Dies entspricht einer Optimierung um 4.1% gegenüber der stromkostenoptimierten Variante. Aufgrund des leicht verminderten Wärmebedarfs wurde die Energieaufnahme des Gesamtsystems sogar um 5.1% verringert Ganzjahresbetrachtung Effizienz und Kosten Der Vergleich der Jahresenergiekosten mittels spezifischer Tarifmodelle kann nicht in Polysun berechnet werden. Die Analyse der Energiekosten erfolgt in Excel. Als Basis werden die Zeitreihen der Energieaufnahme mit stündlicher Auflösung verwendet. Zur Zuteilung der Energiewerte auf Tarifzeiten werden die durchnummerierten Jahresstunden von Polysun in Tage und Tagesstunden umgerechnet. Die so maskierten Einzeldaten werden zu Tarifsummen aufaddiert und mit den entsprechenden Preisen verrechnet. Die folgende Tabelle zeigt die Simulations-und Berechnungsresultate. Die effektiv erreichte Energieoptimierung des Gesamtsystems beträgt im vorliegenden Fall ca. 5.1%. Dagegen stehen Mehrkosten in der Höhe von 33%. Die Energieeinsparungen sind in den Mehrkosten bereits abgezogen. In heute üblichen Tarifsystemen kann die energieoptimierte Betriebsart nicht durch wirtschaftliche Kriterien begründet werden Anwendbarkeit der Optimierung in anderer Klimasituation Temperaturverläufe und Optimierung für Klimazone Zermatt Zermatt liegt in einer typischen Höhenlage mit wenig Nebel und tiefen Wintertemperaturen. Der Einsatz einer Luft-Wasser-Wärmepumpe kommt hier an seine Grenzen. Trotzdem soll eine Simulation zeigen, ob auch hier eine Optimierung möglich ist. Es wird das gleiche Heizsystem wie im Szenario Bern eingesetzt. Aufgrund des höheren Energieverbrauchs wird mit verlängerten Betriebszeiten gearbeitet. In den folgenden Graphiken werden die gemittelten Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 25/30

26 saisonalen Stundentemperaturen für den Standort Zermatt dargestellt. Zudem werden die Resultate der Simulation zusammengefasst und analysiert. Abbildung 28: Analyse Wetterdaten Zermatt Abbildung 29: Analyse Häufigkeit Stundentemperaturen Zermatt Die Analyse der Stundentemperaturen für Zermatt zeigt, dass auch bei extremeren klimatischen Bedingungen die definierten Komfortbedingungen eingehalten werden können. Auch hier wird ein Überheizen verhindert. Durch eine situative Verlängerung der Betriebszeit in Mangelzeiten können die Temperaturen nahe 20 C bei Bedarf in beiden Fällen erhöht werden. Wie erwartet sind die Optimierungen aufgrund der tieferen durchschnittlichen Temperaturen kleiner ausgefallen. Zudem wird das Optimierungspotential des Heizbetriebs aufgrund der längeren Laufzeiten automatisch geschmälert. Überraschend ist, dass im energieoptimierten Heizbetrieb für den Standort Zermatt immer noch eine JAZ von 4.0 resultiert. Die JAZerz für die Warmwassererzeugung Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 26/30

27 ist naturgemäss ebenfalls tiefer als in Bern. Interessant hier ist das höhere Optimierungspotential im Vergleich mit Bern. Dies lässt sich auf die nebelfreie Lage und die sehr tiefen Nachttemperaturen am Standort begründen. Die JAZsys von 3.47 für das Gesamtsystem ist für diesen Standort ein respektabler Wert. Für die gewählte Wärmepumpe sind die tiefen Temperaturen an diesem Standort gemäss Hersteller kein Problem für die Anlage. Bei entsprechender Auslegung ist der Betrieb gewährleistet. Temperaturverläufe und theoretische Optimierung für Klimazone Lugano Lugano mit seinem eher mediterranen Klima zeichnet sich durch hohe Sommertemperaturen und hohe solare Gewinne aus. Aufgrund der hohen Temperaturen kommt der Einsatz einer gewöhnlichen Luft-Wasser-Wärmepumpe an seine Grenzen. Trotzdem soll eine Simulation zeigen welche Optimierungspotentiale hier bestehen. Es wird das gleiche Heizsystem wie im Szenario Bern eingesetzt. In den folgenden Graphiken werden die gemittelten saisonalen Stundentemperaturen ermittelt. Zudem werden die Resultate der Simulation zusammengefasst und analysiert. Abbildung 30: Analyse Wetterdaten Lugano Abbildung 31: Analyse Häufigkeit Stundentemperaturen Gebäude Lugano Die Analyse der Stundentemperaturen im Gebäude für den Standort Lugano zeigt, dass die Komfortbedingungen eingehalten werden können. Auch hier wird ein Überheizen verhindert. Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 27/30