Feldversuch im Labor Moritz Lauster Teamleiter Gebäudeenergiesysteme RWTH Aachen / E.ON ERC Berlin, 22./23. März 2018

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1 Feldversuch im Labor Moritz Lauster Teamleiter Gebäudeenergiesysteme RWTH Aachen / E.ON ERC Berlin, 22./23. März 2018 Moritz Lauster,

2 Energetische Bewertung von Wärmepumpen und Gesamtsystemen Quelle: Huchtemann, K Supply Temperature Control Concepts in Heat Pump Heating Systems. Dissertation, RWTH Aachen University, E.ON Energy Research Center 2

3 Feldtest im Labor Feldtest im Labor Individualisierbar durch Simulation Simulationsmodell ist nur eine Abstraktion der Realität Nicht reproduzierbar Entfernungen Feldtest Dynamische Randbedingungen Kopplung zwischen Erzeuger und Verbraucher Reale Randbedingungen Teuer Abhängig von Wetter, Region, Zeitraum, Nutzern Beliebiges Szenario Bewertung von Komponenten der Gebäudetechnik Reproduzierbar Messsensorik leicht erweiterbar Anwendung für Bewertungsverfahren bisher statisch Starre Randbedingungen ohne Kopplung Labor 3

4 Herausforderungen Wärmeerzeuger Gebäude Prüfdauer Real Real 1 Reales Jahr Real Simulationsmodell 4 Tage 4

5 Hardware-in-the-Loop Prüfstand EMS Datenaustausch Klimakammer reales Wärmepumpensystem Simulation WP Controller Hydraulischer Prüfstand 5

6 Prüfraum Klimakammer Hydraulikprüfstand 6

7 Gebäudemodells in der dynamischen Simulation Modellierungssprache Modelica Simulationsumgebung Dymola Gebäudemodell Einfamilienhaus (EFH) Beheizte Fläche A=158 m² Referenzfall WSchVO 82/84 Heizlast: 9,8 kw Wetter nach TRY 2004 Intermittierende Nutzerprofile TWW: Zapfprofil L nach EN

8 Ermitteln repräsentativer Typtage Datenbasis Repräsentanzperiode Anzahl Tage a) Künstlich erzeugt Monat 6-12 (z. B. Mittelwerte) b) Messwerte bzw. Abschnitte TRY Charakteristische Klimaperiode Heizperiode/ Jahr Messaufwand Genauigkeit Ausgewählte Verfahren zu a) Ausgewählte Verfahren zu b) Typische Durchschnittstage Chronologische, äquidistante Auswahl Typisches Jahr Tage nach kleinsten Fehlerquadraten Tage nach k-medoids Clustering Intermittierende Simulation Bewertung in: Engel, H.: Development of a procedure for dynamic evaluations of heat pump systems; Master s Thesis; ERC, RWTH Aachen,

9 Berechnung Jahresarbeitszahl PP el QQ th Tag1 QQ ttt, Tag2 QQ th, Tag3 QQ th, Tag4 JAZ HiL = Tag1 PP el, Tag2 PP el, Tag3 PP el, Tag4 PP el,4 QQ th,4 9

10 Anwendung: Entwicklung und Bewertung eines Energiemanagementsystems EMS WP Controller 800 L 55 C Einsatz eines EMS zur optimierten Nutzung des PV-Stroms zur Heiz- und Warmwasserversorgung 10

11 Auswertung Energiemanagementsystem Vorhersage der Fahrweise durch das EMS erfolgt für einen Tag PP eeee,nnnnnn RRRRRR PV-Strom wird bevorzugt verwendet und aus der Bilanzierung des COP genommen Durch das EMS steigt der COP um 73% PP eeee,nnnnnn EEEEEE Einschränkung: Das EMS verwendet eine perfekte Vorhersage der Randbedingungen, kennt also a priori alle Randbedingungen, auch in der Zukunft OOOO/OOOOOO SSSSSS 11

12 Zusammenfassung HiL-Prüfstand Dynamische Simulation Typtage Variable Methodik zur integralen Entwicklung und Bewertung von Energie- und Energiemanagementsystemen 12

13 Wir danken für die finanzielle Unterstützung durch das BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie), Förderkennzeichen 03ET1169C und 03ET1211B, sowie durch das BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung), Förderkennzeichen 13N E.ON Energy Research Center Mathieustraße Aachen Germany Moritz Lauster T F mlauster@eonerc.rwth-aachen.de

14 k-medoids und Gewichtung Jahrestypische Tage im Sinne von meteorologisch repräsentativen Tagen Zuordnung von Tagen zu Clusterschwerpunkten nicht chronologisch Erweitert um Gewichtungsfaktoren Wettergrößen und Gewichtungsfaktoren Außentemperatur f ϑ Direkte Strahlung f DirS Diffuse Strahlung f DiffS Windgeschwindigkeit f Wind Sensitivitätsanalyse mit Simulationsrechnungen* Einflussfaktoren Gebäude Klima Erzeugertyp Trinkwassererwärmung Mittlere Faktoren f ϑ 0,90 f DirS 0,03 f DiffS 0,07 f Wind 0,00 *Quelle: Engel, H.: Development of a procedure for dynamic evaluations of heat pump systems; Master s Thesis; ERC, RWTH Aachen,

15 Klimakammer Volumen 33 m³ max. Volumenstrom 4000 m³/h max. Kühlleistung 10 kw min. Temperatur -17 C max. Leistung der Lufterwärmer 40 kw max. Befeuchtungsleistung 12 kg/h Prüfraum 15

16 Hydraulik-Prüfstand Leistungsklassen < Anzahl Hydraulikkreise 8 kw kw kw max. Kühlleistung bei 8 C 30 kw max. Wärmequellentemp. 70 C min. Wärmesenkentemp. 8 C dv/dt Prüfsystem Delta p p V Externe Versorgung Versorgung 16