Auslegung und Potenzial drehzahlgeregelter Wärmepumpen

IET Institut für Energietechnik,
HSR Hochschule für Technik Rapperswil

Auslegung und Potenzial
drehzahlgeregelter Wärmepumpen

Prof. Carsten Wemhöner
Nationaler österreichischer Vernetzungsworkshop
im Rahmen des IEA HPT Annex 49
AIT Austrian Institute of Technology
16. Januar 2020, Wien

Überblick

 Auslegung von drehzahlgeregelten Wärmepumpen
   Modellierung drehzahlgeregelte Wärmepumpe
   Auslegung drehzahlgeregelte Wärmepumpe
   Vergleich drehzahlgeregelte/Ein-Aus geregelte
    Wärmepumpe
   Heizspeicher, Kühlbetrieb, Flexibilität

 Ausblick IEA HPT Annex 49
   Schlussworkshop
   Schlussberichte
   Website

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Fragestellungen drehzahlgeregelte Wärmepumpe

 Grundlegende Fragestellungen der Untersuchung

   Erreichen drehzahlgeregelte Wärmepumpen bessere
    Effizienzen als Ein-/Aus-geregelte?
   Welche Effizienzsteigerung lässt sich erreichen?

   Was beeinflusst drehzahlgeregelte Wärmepumpen?

   Wie sollten drehzahlgeregelte Wärmepumpen
    ausgelegt werden?

 Vorgehen

   Referenz Einfamilienhaus für Simulation

   Modellierung von drehzahlgeregelten Wärmepumpen
    anhand von Hersteller-Kennfeldern (Performance-Map)
   Simulation und Vergleich unterschiedlicher Fälle

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Motivation Auslegung

 Wie sollte eine drehzahlgeregelte
  Wärmepumpe ausgelegt werden?
   Typische Auslegung in der Schweiz
     => Monovalente Auslegung, da direkt-
     elektrische Zusatzheizung verboten ist
   Test von gängigen Auslegungen für
     Ein-/Aus geregelte Wärmepumpen
   Inverterregelung bei Wärmepumpe
     führt zu höheren COP-Werten in Teillast
     (abhängig von Kompressorantrieb)
   Überdimensionierung sinnvoll, um
     Teillastbetreib zu erhöhen und damit
     Betrieb bei besserem COP zu
     ermöglichen?

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Auslegung von Wärmepumpen bis 25 kW

 Auslegung von Klein-Wärmepumpen

   Empfehlungen für schrittweise
    Komponentenauslegung nach
    Standardschaltung (STASCH)
   Dimensionierung nach Normheizlast

   Ansatz:
    Bei Normaussentemperatur läuft
    die Wärmepumpe 24 h durch
   Berücksichtigung von Warmwasser
    durch 4 kWh/d/Pers.
   Erhöhung der Auslegungsleistung bei
    Sperrzeiten durch kürzere Wärme-
    pumpenlaufzeit

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Randbedingungen Simulation

 Randbedingungen
   Einfamilienhaus (EBF = 200 m²)
   Auslegung auf Netto-Null-Bilanz
    (Systemgrenze inkl. Haushaltsstrom)
   Luft-Wasser Wärmepumpe
   Fussbodenheizung auf 35 °C/30 °C
    ausgelegt
   Wetterdatensatz Zürich Meteoschweiz
   Heizwärmebedarf 27 kWh/(m²a)
   PV-Anlage in Ost-West Ausrichtung
    von 7 kWp installierter Leistung

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Modellierung der drehzahlgeregelten Wärmepumpe

 Modellierung drehzahlgeregelte WP
   Performance-Map Model basierend auf
    Herstellerdaten
 Eingabegrössen
   Quellen- und Senkentemperatur
   Relative Kompressor-Drehzahl (Modulation)

 Ausgabegrössen
   Heizleistung (Quelle, Senke oder elektrische
    Leistung)
 Eingabe Performance-Map (3-D look-up table)
   Leistung / COP in Abhängigkeit von
   Quellentemperatur
   Senkentemperatur
   Relative Kompressordrehzahl

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Regelung

 Zusätzlich zum Standard Ein-/Aus-Signal wird eine relative Drehzahl des Kompressors benötigt

 Daher werden Look-up tables für die Ausgabe der relative Kompressordrehzahl integriert
   Einer für die Kompressordrehzahl abhängig von der erforderlichen Heizleistung
   Einer für die Kompressordrehzahl abhängig von maximalen COP

 Eingangsgrössen
   Quellentemperatur
   Senkentemperatur
   Erforderliche Heizleistung

 Ausgabegrössen
   Relative Kompressordrehzahl

 Daten für den "3-D look-up table" werden auf Grundlage der gleichen Eingabegrössen für die
  WP-Performance-Map während der Initialisierung berechnet

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Vergleich drehzahlgeregelter Betrieb und Ein-/Aus Betrieb

 Das gleiche Modell wird
   mit Variation der Grösse der Wärmepumpe
   Variation der Regelung
   im Heiz- und Warmwasserbetrieb

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  simuliert

 Regelung
   Ein-/Aus-Betrieb und drehzahlgeregelter Betrieb

 Deutlicher Anstieg der Jahresarbeitszahl (JAZ)
  mit drehzahlgeregelter Wärmepumpe

 Trend zu höherer Jahresarbeitszahl mit kleinerer
  Wärmepumpenleistung

 Bei Warmwasserbetrieb Nutzung eines
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  hohen Teillast-COP

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Vergleich drehzahlgeregelter Betrieb und Ein-/Aus Betrieb

 Vergleich                                                                                   maximale Leistung gutes Design
                                                                                              minimale Leistung gutes Design
   Gross ausgelegte Wärmepumpe                                                               maximale Leistung schlechtes Design
                                                                                              minimale Leistung schlechtes Design

                                                         Heizlast/Heizleistung WP [kW]
   Knapp ausgelegte Wärmepumpe                                                               Heizlast Gebäude

 Bei Standarddimensionierung (STASCH)
  ist schon Leistungsreserve von 20-30%
  berücksichtigt
   Normaussentemperatur
   Keine Gewinne
   Baureiheneffekte

 Bei weiterer Überdimensionierung
   Bereich der COP-Überhöhung wird
    schnell durchlaufen
   Wärmepumpe komme schneller wieder
    in den Ein-/Aus-Taktbetrieb
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Notwendigkeit eines Heizungspufferspeichers

 Zur Beurteilung der Notwendigkeit eines
  Heizspeichers wird die Betriebszeit im Januar
  betrachtet
   Drehzahl des Kompressors wird entsprechend
    der geforderten Leistung variiert
 Mit Drehzahl-Regelung
   Wärmepumpe läuft kontinuierlich für mehrere
    Hundert Stunden
 Ein-/Aus-Regelung
   7 Heizzyklen während des gesamten Januars

 Bei guter Auslegung der Wärmepumpe wird kein
  Heizspeicher benötigt

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Zeitliche Regelung für höhere Quellentemperaturen

 Erhöhung der Quellentemperatur durch
  Sperrzeiten während der Nacht
   Wärmepumpe wird bei höherer Raumtemperatur
     zwischen 10.00 – 20.00 Uhr eingeschaltet
   Wärmepumpe läuft nicht während der Nacht
     zwischen 21.00 – 7.00 Uhr
 Nur leicht höhere Effizienz
   Abschaltung während der Nacht erfordert grössere
     Auslegung der Wärmepumpe, was die Effizienz
     verringert
 Erhöhung durch bessere Quelle im Vergleich zu
  Absenkung durch grössere Auslegung gleichen
  sich aus

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Kühlbetrieb mit Drehzahlregelung

 Für Kühlbetrieb mit der Wärmepumpe wird
  die Kompressordrehzahl nach der
  Verdampferleistung geregelt
   Ebenfalls höhere JAZc aufgrund besseren
     Teillast-Verhaltens in der Performance-Map
 Laufzeiten Kühlbetrieb limitiert
   Selbst bei warmem Wetterdatensatz fällt der
     Kühlbedarf in Schweizer Wohnbauten in Zürich
     noch moderat aus
   Daher nur begrenzte Effizienzverbesserungen
     im Kühlbetrieb mit leistungsgeregelter
     Wärmepumpe

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Auswertung Flexibilität

 Zusammenarbeit mit NTNU, Trondheim, NO
  zu Energieflexibilität

 Hypothese:
  Preis gibt Auskunft, wie gut Produktion und
  Verbrauch übereinstimmen
   Preisreduktion ist günstig für Wärmepumpenbetrieb
    und unterstützt das Stromnetz
   Flexibilität kann über Preissignal aktiviert werden

 Schiebung der Temperatursollwerte Heizung/WW
   Hochpreis (HPT)- und Niederpreis (LPT) Grenzwerte
    werden aus zukünftigen 24 h Preisen berechnet
   Die Temperatursollwerte werden aus aktuellem Spot-
    preis im Vergleich zur Grenze ermittelt
   Ein niedriger Spotpreis bewirkt damit einen höheren
    Temperatursollwert und die Wärmepumpe springt
    früher an                                                                                      Quelle: Claus et. al.

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Auswertung Flexibilität

 Anstieg des Energieverbrauchs um 6%,
  aber Abnahme der Energiekosten um 5%
   Temperatursollwerte können aus Komfortgründen
    nur erhöht werden – keine Komfortverletzung
   Daher höherer Heizenergieverbrauch und WW-
    Speicherverluste
   Trotzdem sinken die Energiekosten durch den
    besseren Strompreis
 Einsatzgrenzen Regelstrategie
   Strompreis muss eine gewisse Fluktuation aufweisen
   Aber: ohne Fluktuation auch kein Bedarf des Netzes
    nach Flexibilität

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Schlussfolgerungen drehzahlgeregelte Wärmepumpe
 Deutliche Erhöhung der JAZ mit drehzahlgeregelter
  Wärmepumpe möglich abhängig von der Performance-Map

 Auslegung nach gängigen Auslegungsregeln
  (in der Schweiz z. B. STASCH) sind weiter
  anwendbar
   aber mit etwas kleiner Auslegung unter Berücksichtigung
     konstanter Gewinne am Auslegungspunkt bessere Resultate
 Keine Notwendigkeit für einen Heizungspufferspeicher
   bei ausreichender Kapazität im Heizkreis,
     insbesondere bei Fussbodenheizung,
     weder bei drehzahlgeregelter noch bei Ein-/Aus-geregelter WP
 Kühlbetrieb weist ebenfalls bessere Effizienz mit Leistungsregelung
  auf, aber Einfluss aufgrund niedriger Kühllast geringer

 Flexibilität kann über Preis-Fluktuationen erschlossen werden
   Trotz steigendem Energieverbrauch geringere Energiekosten
     und netzdienlicher Betrieb möglich

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Ausblick IEA HPT Annex 49

 Der IEA HPT Annex 49 wird im Jahr 2020 abgeschlossen

 Annex Workshop an der IEA Heat pump conference 2020
  Südkorea, Montag, 11. Mai 2020

 Draft der Schlussberichte im August 2020 für Review durch ExCo

 Offizieller Abschluss des Annex am HPT ExCo Nov. 2020

 Veröffentlichung der Schlussberichte Ende 2020
  auf der Website des IEA HPT

  www.heatpumpingtechnologies.org/annex49

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Q&A

 Danke für die Aufmerksamkeit

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