Wärmepumpen in komplexer werdenden elektrischen und hydraulischen Systemen - Institut Energie am Bau
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Wärmepumpen in komplexer werdenden elektrischen und hydraulischen Systemen Institut Energie am Bau Prof. Dr. Ralph Eismann
Meine Herkunft
Professur Gebäudetechnik Postdoc Doktorat
Seit 9. 2017
FHNW ETHZ ETHZ
Physiklehrer
Physikstudium Entwicklungsleiter
90er 2010
ETHZ E. Schweizer AG
F & E Industrie 2001
Produktentwicklung Maschinenbau
80er
E. Schweizer AG HTL Burgdorf
Mechaniker Werkzeugbau
70er
Gebr. Sulzer AG Gebr. Sulzer AG
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Thermohydraulische Methoden
https://sourceforge.net/projects/thd/ http://velasolaris.com/
THD
Dimensionierung
Dimensionierung • Kollektorfeld
Interface
• Rohrnetz • Wärmeübertrager
• Pumpe • Speicher
• Ausdehnungsgefäss Nachweise
Nachweise • Ertrag / Deckungsgrad
• Entlüftbarkeit • Thermodynamik
• Dampfreichweite Gesamtsystem
http://dx.doi.org/10.1007/978-3-658-07125-7 Eismann, R., Föller F., Witzig A. (2017). Programm THD.
Schlussbericht. Bundesamt für Energie BFE, Bern
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a) Fσ b)
FA Rohrwand Geschwindigkeitsverteilung
FA,//
Entlüftung durch Strömungskräfte wl
Fσ
FR
Entlüftung ist nur möglich, wenn Luftblasen wl(r)
in der Strömung mitbewegt und zur FA
Entlüftungsstelle oder zum Luftabscheider
transportiert werden kann. Fdyn
Dieser Vorgang heisst Selbstentüftung.
Lufttasche Luftblase wB
FR
Quelle: Eismann (2017)
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Wasser bei Raumtemperatur in zylindrischen Rohren
0.8
0.7
Selbstentlüftungsgeschwindigkeit m/s
Entlüftung durch Strömungskräfte d = 45.2 mm
0.6
Selbstentlüftungsgeschwindigkeit wSE
als Funktion der
• Rohrgeometrie 0.5
• Stoffeigenschaften d = 19 mm
0.4
0.3
0.2
Modell beschreibt die Einflüsse der
• Gravitationskraft (Auftrieb)
0.1
• Oberflächenkräfte d = 10 mm
• Scherkräfte
0
auf die Bewegung von Luftblasen in einer 0 30 60 90
Zweiphasenströmung
Neigungswinkel Grad
Quelle: Eismann (2017)
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Inhalt Technik für Gebäude • Gebäudetechnik im historischen Kontext • Ölkrise – Lösungen zur Einsparung fossiler Energieträger – Zunahme der Komplexität • Planungswerkzeuge und Qualitätssicherung Thermische und elektrische Arealvernetzung • Möglichkeiten und Klassifizierung von komplexen Systemen • Neue Herausforderungen in Forschung und Praxis Institut Energie am Bau 26.04.2018 6
Gebäudetechnik unserer Urgrosseltern – auf dem Dorfe
Anforderungen Erneuerbar Fossil
Licht
Warmwasser Kochen
Ofen Holz
Heizen Öl
Quelle: http://biblio.unibe.ch/digibern/berner_enzyklopedie_band_03.pdf
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Gebäudetechnik unserer Grosseltern – in der Stadt
Elektrizitätsnetz
Gasnetz
Haushaltstrom
Licht
Kohle
Warmwasser Kochen
Ofen
Heizen
Quelle: Von Fantaa, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=13274752
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Gebäudetechnik unserer Eltern – in der Stadt Variante Gas
Elektrizitätsnetz
Gasnetz
Haushaltstrom
Licht
Warmwasser Kochen
Heizen Kessel
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Gebäudetechnik unserer Eltern – in der Stadt Variante Fernwärme
Elektrizitätsnetz
Haushaltstrom
Licht
Warmwasser Kochen
Heizen Fernwärme
Institut Energie am Bau 26.04.2018 10Gebäudetechnik unserer Eltern – auf dem Dorfe
Elektrizitätsnetz
Haushaltstrom
Licht
Warmwasser Kochen
Heizen Kessel Öl
Institut Energie am Bau 26.04.2018 11Ölkrise 1973 https://www.swr.de/swr2/wissen/archivradio/bildergalerie/- /id=13941754/did=13831192/gp1=5149212/gp2=15143028/nid=13941754/vv=gallery/if1doq/index.html Institut Energie am Bau 26.04.2018 12
Entwicklungsschub Erneuerbare Energien! Tour de Sol 1985 - 1993 Quelle: http://www.jenni.ch/chronik.html Idee, Initiative und Durchführung der ersten Rennen: Josef Jenni, Jenni Energietechnik AG, Oberburg Institut Energie am Bau 26.04.2018 13
Solarthermie für Heizen und Warmwasser
Ölkrise 1973 beschleunigte Entwicklung der Erneuerbaren Energien
Pionierfirmen: Elektrizitätsnetz
• Rüesch Solartechnik AG
• Ernst Schweizer AG
• Jenni Energietechnik AG
• … Haushaltstrom
Licht
Warmwasser Kochen
Puffer Heizen Kessel Öl
Flach- und VKR Koll.
Institut Energie am Bau 26.04.2018 14Wärmepumpe in der Gebäudetechnik 1973 - 1990
Umgebungsluft
Gewässer Elektrizitätsnetz
Wärmepumpe Haushaltstrom
Erdspeicher Licht
Warmwasser Kochen
Energiedach Puffer Heizen
Zogg M. (2009) Geschichte der Wärmepumpe: Schweizer Beiträge und internationale Meilensteine.
http://www.zogg-engineering.ch/publi/GeschichteWP.pdf
Institut Energie am Bau 26.04.2018 15Neue Planungswerkzeuge und standardisierte Systemlösungen erforderlich
Simulationsprogramme
• Dr. Martin Zogg: SIWW 1975 – 1989
• Ab 1990 das auf SIWW basierende Polysun
Bietet heute umfassende Simulationsumgebung inklusive Kessel, Wärmepumpen,
Photovoltaik, Gebäudemodell, Erdsonden, Eisspeicher etc.
Impulsprogramme PACER und RAVEL des Bundes (1990 – 1995)
https://www.energie.ch/bfk/
Institut Energie am Bau 26.04.2018 16Qualität von Wärmepumpen und Systemen Planung: • Standardschaltungen: http://www.waermepumpe.ch/fe/SB_STASCH_1d.pdf • Wärmepumpenhandbuch: http://www.fws.ch/downloads.html • Polysun / Wpesti / EWS Qualitätssicherung: • Wärmepumpen-Testzentrum WPZ • Gütesiegel Wärmepumpen • Wärmepumpen System-Modul Institut Energie am Bau 26.04.2018 17
Luft-Wasser Wärmepumpen in der Stadt Platz? Ästhetik? Schall? Quelle: GoogleEarth Institut Energie am Bau 26.04.2018 18
Stadtverträgliche Wärmepumpen
Laufendes Projekt der FHNW, gefördert durch die Städte Zürich und Basel (Abschluss 2018)
Analyse Konstruktionsprinzipien
Klassifikation Bauliche Situation
• Lösungen für gestalterische
Schall & räumliche Integration
• Vereinfachtes Bewilligungsverfahren
Baurecht
Stadtbild
Quelle: Dutch Heatpump Solutions
https://www.topten.ch/sites/default/files/files/Studie_stadtvertraegliche-LW-WP_Aug2014.pdf
Institut Energie am Bau 26.04.2018 19Einbindung von Wärmepumpen in komplexe Systeme Umfassende Untersuchungen im Rahmen des IEA Task 44: http://task44.iea-shc.org/ Dott R., Genkinger A., Moret F., Afjei T. (2011) Combining Heat Pumps with Solar Energy for Domestic Hot Water Production 10th IEA Heat Pump Conference Tokyo Haller M., Carbonell D., Mojic I., Winteler C., Bertram E., Bunea M., Lerch W., Ochs F. (2014) Solar and Heat Pump Systems – Summary of Simulation Results of the IEA SHC Task 44/HPP Annex 38. In: 11th IEA Heat Pump Conference 2014, Montréal, Canada May 12-16 2014. Fachbuch für die Planung, basierend auf den Resultaten des IEA Task 44: Hadorn J.-C. (2015) Solar and heat pump systems for residential buildings. Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin, ISBN: 978-3-433-03040-0, Institut Energie am Bau 26.04.2018 20
Wärmepumpen in komplexen Systemen
Solarstrom
Umgebungsluft Fortluft
Erd-Luftregister Gewässer Power to Gas Elektrizitätsnetz
Abwasser
Gasnetz
Eisspeicher Wärmepumpe Batterie Haushaltstrom
Erdspeicher Kühlen Brennstoffzelle
Licht
Erdsonde Lüften/Klimatisieren Kohle
Niedertemperaturnetz Warmwasser Kochen
PV/T Kollektoren Ofen Holz
Unverglaste Koll. Puffer Heizen Kessel Öl
Flach- und VKR Koll. Saisonspeicher Pumpspeicherwerk
Institut Energie am Bau 26.04.2018 21Klassifizierung komplexer Systeme Eine Vorlage mit allen Komponenten und zahlreichen Systemkonfigurationen kann bezogen werden bei Dr. Elimar Frank, BFE Programmleiter Solarwärme und Wärmespeicherung: elimar.frank@frank-energy.com Quelle: Frank E., Haller M., Herkel S., Ruschenburg J. (2010) Systematic classification of combined solar thermal and heat pump systems. In: Proc. of the EuroSun 2010 Conference, Graz, Austria Institut Energie am Bau 26.04.2018 22
SCCER FEEB&D: Einbindung von Wärmepumpen in Niedertemperaturnetze Fernwärme: Zentrale Pumpe Wärmepumpen: Viele dezentrale Pumpen Strömungsrichtung vorgegeben = gerichtetes Netz Strömungsrichtung variabel = ungerichtetes Netz Druckgefälle zwischen Warm- und Kaltleiter Differenzdruck variabel Quelle: Hangartner D., Ködel J., Mennel S., Sulzer M. (2018) Grundlagen und Erläuterungen zu Thermischen Netzen, Hochschule Luzern, Technik und Architektur, Horw Institut Energie am Bau 26.04.2018 23
Ziele in Forschung und Lehre Forschung und Entwicklung • Modelle für die thermische und elektrische Arealvernetzung • Reduzieren der Komplexität (Vereinfachen, zusammenfassen in Baugruppen) • Planungssicherheit durch integrale Engineering Tools • Finden der optimalen Dimension und Kombination von Systemkomponenten (Kosten, Primärenergie) • Rechnerischer Nachweis des Optimums durch Simulation • Qualitätssicherung in der Planung, Ausführung und Wartung Lehre • Entwickeln und Erhalten von Know-How für Planung, Ausführung, Betrieb und Wartung. Institut Energie am Bau 26.04.2018 24
Methoden: Modellierung – Simulation - Experiment
Versuchsplattform für Wärmepumpensysteme Licht- und Fassadenlabor
Institut Energie am Bau 26.04.2018 25Forschung am «Energy Research Lab» ERL
Wärmepumpe + Regler PV Module
Licht- und
Fassadenlabor Versuchssteuerung
und Datenerfassung
Batteriespeicher Warmwasserspeicher
Wechselrichter
Emulatoren für
Elektrische Lasten
Erdsonde
Eisspeicher
Gebäudeheizung
Solarkollektoren Energieaufbereitung Klimakammer
Institut Energie am Bau 26.04.2018 26Brücken bauen zwischen Wissenschaft und Praxis
Engineering-Tools
Wissenschaft: Praxis:
Theorie Konstruieren
Modelle Dimensionieren
Technologien Bauen
Werkstoffe In Betrieb nehmen
Verfahren Betreiben
Brücke über den Firth of Forth. Quelle: http://www.columbia.edu/cu/gsapp/BT/BSI/CANTILEV/cantilev.html
Institut Energie am Bau 26.04.2018 27Danke für Ihre Aufmerksamkeit
Ich freue mich
auf regen Austausch
und fruchtbare Zusammenarbeit
Institut Energie am Bau 26.04.2018 28Sie können auch lesen
