Leistungsgeregelte Luft/Wasser- Wärmepumpen effizient und stadtverträglich

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1 Leistungsgeregelte Luft/Wasser- Wärmepumpen effizient und stadtverträglich Lukas Gasser, Prof. Dr. Beat Wellig Hochschule Luzern Technik & Architektur CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik Forum Energie Zürich Zürich, 3. Februar 2015

2 Gliederung 1. Ausgangslage und Ziele 2. Leistungsregelung von L/W-WP 3. Schallemissionen wirksam reduzieren 4. Experimenteller Nachweis und Resultate 5. Schlussfolgerungen 2

3 Ausgangslage und Ziele Verkaufszahlen Wärmepumpen in der Schweiz [1]: Anzahl verkaufte Wärmepumpen pro Jahr 22'000 20'000 18'000 16'000 14'000 12'000 10'000 8'000 6'000 4'000 2'000 nach Energiequelle (2013): 62.1% Luft/Wasser 35.5% Sole/Wasser 2.0% Wasser/Wasser 0.4% Luft/Luft Die Entwicklung effizienter und wirtschaftlicher Heizsysteme mit Wärmepumpen ist von hoher Relevanz! 1999 Jahr [1] Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz FWS / GebäudeKlima Schweiz

4 Ausgangslage und Ziele L/W-WP mit Ein/Aus-Regelung: Heizleistung [kw] erzeugt erforderlich 5 10 COP Messungen von Gasser et al. [3] exergetischer Wirkungsgrad [-] Umgebungstemperatur [ C] Umgebungstemperatur [ C] Ursache: Ungünstige Betriebscharakteristik des drehzahlkonstanten Kompressors Ziel: Anpassung der erzeugten an die erforderliche Heizleistung Leistungsregelung des Kompressors und Ventilators [3] Gasser et al.: WEXA: Exergie-Analyse zur Effizienzsteigerung von Luft/Wasser-Wärmepumpen, BFE,

5 Leistungsregelung von L/W-WP Leistungsregelung ist nicht gleich Leistungsregelung! Leistungszahl [-] Leistungszahl [-] "Inverter L/W-WP" "Leistungsgeregelte L/W-WP Prototyp HSLU" Zeit [min] AZ H+A = % (!) AZ H+A = 3.4 Betriebsbedingungen: 0 C Umgebungstemperatur, 85% rel. Feuchtigkeit und Heizkurve «hochwertig sanierter Altbau», VL/RL 42/35 C bei -10 C (Messungen) Leistungszahl COP mit Berücksichtigung der Ventilatorleistung 5

6 Leistungsregelung von L/W-WP Voraussetzungen an regelbare Kompressoren für L/W-WP: Teillast-Wirkungsgrad h /h 100% 1.0 Kompressor 1 mit ungünstigem Teillastverhalten COP f opt Teillastverhältnis f [%] COP Teillast-Wirkungsgrad h /h 100% Kompressor 2 mit geeignetem Teillastverhalten 5.95 COP 0.6 f opt Teillastverhältnis f [%] COP Das Teillastverhalten des Kompressors ist entscheidend! Betriebsbedingungen: 6 C Umgebungstemperatur, 85% rel. Feuchtigkeit und Heizkurve «Minergie», VL/RL 30/25 C bei -10 C (Simulationen) Leistungszahl COP ohne Berücksichtigung der Ventilatorleistung 6

7 Leistungsregelung von L/W-WP Einfluss des Teillast-Wirkungsgrads auf die optimale Regelung: Heizleistung [kw] Umgebungstemperatur 0 C erzeugt erforderlich n opt < n match COP Heizleistung [kw] Umgebungstemperatur 6 C erzeugt erforderlich 2 n match < n opt COP Kompressordrehzahl n [min -1 ] Kompressordrehzahl n [min -1 ] Die Anpassung der erzeugten Heizleistung an die erforderliche Heizleistung ist nicht generell empfehlenswert! Betriebsbedingungen: 0 C, 6 C Umgebungstemp., 85% r.f. und Heizkurve «Minergie», VL/RL 30/25 C bei -10 C (Messungen L/W-WP-Prototyp mit Inverter-Scroll) Leistungszahl COP ohne Berücksichtigung der Ventilatorleistung 7

8 Leistungsregelung von L/W-WP Abhängigkeiten des optimalen Teillastverhältnisses des Kompressors: Leistungszahl [-] Einfluss der Umgebungstemperatur Umgebungstemp. n opt =3300 min -1 6 C 2 C 0 C Leistungszahl [-] Einfluss der rel. Feuchtigkeit 6.5 rel. Feuchtigkeit 85% % n opt =3300 min Kompressordrehzahl n [min -1 ] Kompressordrehzahl n [min -1 ] Die optimalen Teillastverhältnisse sind nahezu unabhängig vom Zustand der Umgebungsluft und der Heizkurve! Betriebsbedingungen: 0 C, 2 C, 6 C Umgebungstemp., 85%, 95% r.f. und Heizkurve «Minergie», VL/RL 30/25 C bei -10 C (Messungen L/W-WP-Prototyp mit Inverter-Scroll) Leistungszahl COP ohne Berücksichtigung der Ventilatorleistung 8

9 Leistungsregelung von L/W-WP Leistungsregelung von Kompressor und Ventilator: Zur Erreichung der bestmöglichen Effizienz bei L/W-WP müssen die maximalen Bereiche der effizient regelbaren Teillastverhältnisse von Kompressor und Ventilator ausgenutzt werden! Wegleitung: 1. Ermittlung des optimalen Teillastverhältnisses des Kompressors (ist nahezu unabhängig vom Zustand der Umgebungsluft und der Heizkurve) 2. Ermittlung des optimalen Luftvolumenstromes im Betrieb beim optimalen Teillastverhältnis des Kompressors 3. Ermittlung des optimalen Luftvolumenstromes bei Volllast des Kompressors 9

10 Schallemissionen wirksam reduzieren Ursachen von «Lärm» (Bsp. Innenaufstellung): Körperschall: Wärmepumpe-Gebäude Luftkanal-Gebäude Wärmepumpe-Heizleitungen- Gebäude Luftschall: Strömungsgeräusche durch Ventilator und Verdampfer Strömungsgeräusche durch Luftkanäle, Wetterschutzgitter und Abdeckroste 10

11 Schallemissionen wirksam reduzieren Massnahmen zur Vermeidung von Körperschall: Körperschall: Wärmepumpe-Gebäude Luftkanal-Gebäude Wärmepumpe-Heizleitungen- Gebäude Konsequente Entkopplung von Gebäudesubstanz! 11

12 Schallemissionen wirksam reduzieren Massnahmen zur Vermeidung von Luftschall: Auskleidung der Luftkanäle mit schallabsorbierenden Materialien (min. 50 mm Dicke) Grosszügige Dimensionierung der Luftkanäle sowie der Ein- und Austrittsöffnungen (Luftgeschwindigkeiten < 3 m/s) Konsequente Vermeidung ungünstiger Luftführungen (Umlenkungen, Ausblasrichtung gegen Gebäudestruktur usw.) Einsatz optimierter Verdampfer/ Ventilator-Paarungen mit hocheffizienten, langsam laufenden Ventilatoren («Langsamläufer») 1 1 siehe BFE-Berichte «LOREF 1 & 2» und «Leistungsgeregelte L/W-WP» Bild: 12

13 Schallemissionen wirksam reduzieren Optimierte Verdampfer/Ventilator-Paarung: z.b. mit Ziehl-Abegg FE2owlet: Hohe Effizienz, geringe Schallemissionen Bild: Ziehl-Abegg Grosszügig dimensionierte, langsam laufende Ventilatoren Unabhängig von der Drehzahl bei maximalem Wirkungsgrad betreiben Die Paarung Verdampfer/Ventilator ist entscheidend! 13

14 Experimenteller Nachweis und Resultate L/W-WP Prototyp mit Inverter-Scroll mit Dampfeinspritzung Kompressor: Scroll-Kompressor mit Dampfeinspritzung und Inverter von Emerson Climate Technologies Ventilator: kontinuierlich regelbarer Axialventilator FE2owlet mit EC-Motor von Ziehl-Abegg 14

15 Experimenteller Nachweis und Resultate Prüfstand für Luft/Wasser-Wärmepumpen 15

16 Experimenteller Nachweis und Resultate L/W-WP-Prototyp Betriebscharakteristik und Effizienz: Kompressordrehzahl & Luftvolumenstrom (Regelung auf max. Effizienz) Kont. Leistungsregelung Ein/Aus- Regelung Kompressordrehzahl [min -1 ] f=100-49% f=49-47% Dampfeinspritzung Kompressordrehzahl Luftvolumenstrom keine Dampfeinspritzung Luftvolumenstrom [m 3 /h] Lineare Reduktion der Kompressor- und Ventilatordrehzahl im Bereich der Umgebungstemperaturen von -10 C bis 0 C. Konstante Einstellungen von Kompressor und Ventilator bei Umgebungstemperaturen über 0 C Umgebungstemperatur [ C] Heizkurve Minergie: VL/RL 30/25 C bei -10 C 16

17 Experimenteller Nachweis und Resultate L/W-WP-Prototyp Betriebscharakteristik und Effizienz: Heizleistung & Arbeitszahl AZ H+A inkl. Ventilator und Abtauung Kont. Leistungsregelung Ein/Aus- Regelung Heizleistung [kw] f=100-49% f=49-47% Heizleistung: erzeugt erforderlich Arbeitszahl Heizen & Abtauen AZ H+A JAZ H+A nach Methode von v. Böckh et al. [4] JAZ H+A =4.41 [4] von Böckh et al.: Geregelte Wärmepumpe Pioneer Geregelte Luft/Wasser- Wärmepumpe für Sanierungen von Ölund Elektroheizung, BFE, Umgebungstemperatur [ C] Heizkurve Minergie: VL/RL 30/25 C bei -10 C 17

18 Experimenteller Nachweis und Resultate L/W-WP-Prototyp Betriebscharakteristik und Effizienz Jahresarbeitszahl JAZ (inkl. Ventilator, ohne HW-Umwälzpumpe, ohne Warmwasser, Klimaregion Zürich): Heizkurve Minergie- Standard Hochwertig sanierter Altbau Sanierter Altbau Vorlauf-/Rücklauftemperatur bei -10 C Umgebungstemperatur 30 C/25 C 41 C/35 C 46 C/38 C Jahresarbeitszahl mit Abtauung JAZ H+A Zum Vergleich JAZ aus Feldmessungen: FAWA [5]: JAZ = 2.6 (njaz2, ohne Speicher) Fraunhofer [6]: JAZ = 2.95 (AZ1, inkl. Warmwasser) [5] Erb et al.: Feldanalysen von Wärmepumpenanlagen FAWA , BFE, [6] Miara et al.: Wärmepumpen Effizienz, Fraunhofer ISE,

19 Experimenteller Nachweis und Resultate Feldmessungen Betriebscharakteristik und Effizienz: - Installation in Einfamilienhaus von Beat Wellig, Suhr - Feldmessung läuft seit Dezember 2011 Feldmessung: JAZ H+A = (Heizen 1 und Abtauen) JAZ H+A+BWW = (inkl. Brauchwarmwasser 2 ) Bild: Beat Brechbühl 1 Heizkurve: VL/RL 32/28 C bei -8 C (Auslegung gemäss SIA), real leicht höhere VL/RL-Temp. 2 Frischwassersystem: maximale BWW-Temp. 46 C 19

20 Schlussfolgerungen (1) Effiziente L/W-WP mit Leistungsregelung erfordern die simultane Regelung von Kompressor und Ventilator Das Teillastverhalten von Kompressor und Ventilator ist entscheidend Markante Effizienzsteigerung durch Leistungsregelung möglich: JAZ im Bereich von heutigen S/W-WP mit Ein/Aus-Regelung Potenzial insbesondere für hochwertig sanierte Altbauten hoch! 20

21 Schlussfolgerungen (2) Optimierte Verdampfer/Ventilator-Paarungen, gut dimensionierte Luftkanäle, geeignete Aufstellungen = Schlüssel zu geringen Schallemissionen Durch kontinuierliche Leistungsregelung kann Eis- und Frostbildung markant reduziert werden Allgemeingültige Auslegungs- und Planungsgrundlagen aus BFE-Projekten «LOREF» und «Leistungsregelung» beachten. Stadtverträgliche Realisierung effizienter und wirtschaftlicher L/W-WP ist möglich! 21

22 Hinweis auf UGZ-Projekt Stadtverträgliche Luft/Wasser-Wärmepumpen als Hauptwärmeerzeuger Autoren: Ralf Dott, Prof. Dr. Thomas Afjei Fachhochschule Nordwestschweiz Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik, Muttenz Auftraggeber: Stadt Zürich Umwelt- und Gesundheitsschutz Energie und Nachhaltigkeit 22

23 Dank Projektförderung und Partner - Bundesamt für Energie (BFE) - Emerson Climate Technologies GmbH - Ziehl-Abegg Schweiz AG - Heliotherm Wärmepumpentechnik GmbH - Hochschule Luzern Technik & Architektur Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 23