geo:build erdgekoppelten Wärmepumpen Institut für Gebäude und Solartechnik Prof. Dr. Ing. M. Norbert Fisch Mühlenpfordtstraße 23 D Braunschweig

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1 Institut für Gebäude und Solartechnik Prof. Dr. Ing. M. Norbert Fisch Mühlenpfordtstraße 23 D Braunschweig braunschweig.de/igs geo:build Optimierung der Regelstrategien e für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Dipl. Ing. Franziska Bockelmann DKV Deutsche Klima-Kälte-Tagung, November 2014, Düsseldorf

2 Forschungsvorhaben geo:build Systemoptimierung erdgekoppelter Wärme- und Kälteversorgung von Bürogebäuden reversible Wärmepumpen und freie Kühlung Laufzeit : 11/2011 bis 01/2015 (inkl. Verlängerung) Projektpartner und Fördergeber: 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 2

3 Motivation Nutzung von Erdwärme zum Heizen und Kühlen von Bürogebäuden möglich und sinnvoll! Aber Gebäude laufen nicht optimal / planmäßig -> Missstände im Betrieb unausgeglichene Erdreichbilanz Umschaltung im Kühlfall: effiziente freie Kühlung nicht oder nur eingeschränkt umgesetzt Wissenslücken bei der Umsetzung von Regelkonzepten 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 3

4 Monitoring Ergebnisse - Gelsenwasser Eintrag > Entzug Wärme aus Gebäude und KM-Betrieb Erdreich zu warm -> Optimierungen zur Senkung des Wärmeeintrags Planung: FK 68% zu KM 32% Ist: FK ~50% zu KM ~50% 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 4

5 F&E - Ziel Abstimmung und Wechsel der Betriebsmodi zwischen freier und mechanischer Kühlung Erarbeitung von energetisch sowie wirtschaftlich sinnvollen Kombinationsmöglichkeiten der Betriebsmodi 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 5

6 Monitoringgebäude Beispiel Kühlfall VGH Anzahl Gebäude 4 Baujahr / Inbetriebnahme Größe (NGF) 2002 bis bis m² Gebäudeheizlast 125 bis 350 kw Gebäudekühllast 95 bis 305 kw 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 6

7 TRNSYS-Simulation Simulation Gebäudekonfiguration Räume zonieren thermische Randbedingungen bauphysikalische Eigenschaften Heizung, Kühlung, Lüftung interne Lasten Anlagenkonfiguration gu ato rev. Wärmepumpe Freie Kühlung Pufferspeicher Erdsondenfeld etc. 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 7

8 TRNSYS-Simulation Hörsaalgebäude Salzgitter VGH Lüneburg 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 8

9 Regelstrategien g Welche Regelstrategien zum Wechsel von passiver Kühlung und mechanischem Kühlbetrieb werden in der Praxis umgesetzt? t? Welche Regelstrategien sollten betrachtet werden? 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 9

10 vorhandene Regelstrategien g Sollwert bezogen auf Soll-Vorlauf- oder Austrittstemperaturen aus dem Erdreich, Rücklauftemperatur zur WP, Raum- oder / und Außentemperatur Differenz bezogen auf Soll-Vorlauf- und Austrittstemperatur Erdreich Zeitprogramme bezogen auf Intervalle oder Uhrzeiten; erzwungene FK in der Nacht oder nach abgelaufener Zeitspanne Algorithmus (Ganzheitliche Betrachtung) bezogen auf Energieverbrauch, Gebäudenutzung oder Komfort 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 10

11 Voraussetzungen für Parameterstudie 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 11

12 angewendete Regelstrategien Klassiker Varianten: - Sollwerte - Differenzen A - T out > T VLSoll B - T VLSoll T out < X K C - T out > 16 C Ausgang - T VL > T VLSoll D - T out > 16 C AND T VLSoll < 17 C E - T out > 16 C AND T RL > 19 C F - T VLsoll < 14 C AN und T VLSoll > 16 C AUS G - T out > 18 C AN und T out < 15 C AUS H - T In T out > 2K K; HI1K I - T RL -T VLSoll < 1 K J - T In T ungestört > 2 K K - T VLSoll T ungestört < 5 K, zusätzlich mit T ungestört =5 C und 12 C P - T out T ungestört > 5 K (P2: 7K) Beispiel VGH: Ausgangswerte: T ungestört = 9 C Kühlkurve: BKT: 22-6 Uhr RLT: 6-22 Uhr L - Erzwungene FK während 22:00 6:00 Uhr (L2: L+B L4: L+F; L5: L+K; L6: L+A) Zeitkomponente ; M - 2h FK / 2h KM; 1h FK / 3 h KM; 3h FK / 1h KM,... N - bezogen auf Betriebszeit Kombinationen S - Kombinationen aus den oberen Varianten (Tag + Nacht) S1: F+G S2: K+G S3: F+F S4: F+E S5: F+C S51: F+T out >18 C S6: F+Sperre 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 12

13 Ergebnisse Betriebsstunden FK Betriebss stunden freie Kühlung [Stu unden] Klassik ker RL RL RL RL Eintritt Eintritt Eintritt Eintritt 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 13

14 Ergebnisse - Stromkosten romkosten [ /a] Str Kostenannahme: 0,20 / kwh 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 14

15 Bisheriges Fazit ITORING MONI Einbindung eines Monitoring in die erste Betriebsphase wichtig!! Monitoring: Gebäude sind größtenteils in den planmäßigen Betrieb eb überführt -> Optimierungen aber noch nicht abgeschlossen REGEL LUNG Gibt es die optimale Regelstrategie für alle Gebäude? (Gebäudevergleich der Simulationsergebnisse noch offen) Regelung sollte einfach gehalten werden -> Aufwand / Nutzen Optimierungen und Auswirkungen auf Erdreich abzuwägen Kosten / Nutzen Verhältnis ist abzuwägen 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 15

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Institut für Gebäude und Solartechnik Prof. Dr. Ing. M. Norbert Fisch Mühlenpfordtstraße 23 D Braunschweig braunschweig.de/igs 20. November 2014 Dipl.-Ing. F. Bockelmann geo:build - Optimierung der Regelstrategien für den Kühlfall von erdgekoppelten Wärmepumpen Seite 16