Simulation von Wärmepumpen in Verbindung mit Solaranlagen

Simulation von Wärmepumpen in Verbindung mit Solaran-
lagen
Jens Rudolf
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Im Rahmen des Forschungsprojektes „Qualitätssicherung für Kompressionswärme-
pumpen-Anlagen auf Basis breit ausgelegter Felduntersuchungen, Erstellung eines
Auslegungswerkzeuges für Planer und Installateure“ (gefördert vom Bundesministe-
rium für Wirtschaft und Technologie 1 ) wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer
ISE Freiburg der Rechenkern des Auslegungs- und Simulationsprogramms für ther-
mische Solaranlagen T*SOL um die Simulation von Wärmepumpen erweitert.
Ziel ist einerseits die Bereitstellung eines Wärmepumpenmoduls innerhalb von
T*SOL, das die Möglichkeiten von T*SOL verwendet und andererseits die Erstellung
eines eigenständigen Wärmepumpenprogramms namens GeoT*SOL, das den
erweiterten T*SOL-Rechenkern benutzt.
Ziel des Projektes
Ziel ist die Unterstützung von Architekten, Ingenieuren oder Installateuren in der Vor-
planungsphase von Wärmepumpenanlagen, um schnell Einsparungspotenziale be-
züglich Energie und Kosten basierend auf wenigen erforderlichen, bzw. verfügbaren
Eingangsinformationen zu berechnen.
Im Detail sollen folgende Anforderungen erfüllt werden:
• Herstellerunabhängigkeit
• Benutzerfreundlichkeit
• schnelle Auswahl der geeigneten Systeme
• Validierung anhand von umfangreichen Messdaten
• Berechnung der Jahresarbeitszahl aufgrund der Minutensimulation der ge-
samten Wärmepumpenanlage über ein Jahr
1 aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages, Förderkennzeichen 0327841B

Leistungsumfang
Aktuell sind fünf Wärmepumpenanlagensysteme berechenbar, davon zwei mit sola-
rer Unterstützung.
Die Anlagensysteme sind alle optional mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe oder mit
einer Sole/Wasser-Wärmepumpe simulierbar.
Die Sole/Wasser-Wärmepumpe ist an eine Erdwärmesonde gekoppelt.
Beide Wärmepumpenanlagen mit solarer Unterstützung liefern sowohl Energie für
das Trinkwarmwasser als auch Energie für die Heizungsanlage.
Wie in T*SOL üblich, können die neuen Anlagen mit Wärmepumpen parametriert und
simuliert werden. Für die anschließende Auswertung stehen eine grafische Analyse
der Ergebnisse, eine Wirtschaftlichkeitsprognose sowie eine
Ergebniszusammenfassung und ein Projektbericht zur Verfügung.
In GeoT*SOL wird der Anwender Schritt für Schritt durch die einzelnen Eingabedia-
loge geführt. Am Ende stehen eine Jahressimulation und eine Zusammenfassung der
wichtigsten Jahresergebnisse.
Im Folgenden werden die beiden Anlagensysteme mit Solaranlage beschrieben:
Wärmepumpenanlage mit solar unterstützter Trinkwarmwasser-
erwärmung
Bei diesem Anlagensystem handelt es sich um eine Anlage mit einem Trinkwarm-
wasserspeicher, der sowohl vom Solarkreis als auch vom Heizkreis der Wärmepum-
pe beladen wird (Abbildung 1).
Abbildung 1 Wärmepumpenanlage mit solar unterstützter Trinkwarmwassererwärmung

Kombispeichersystem mit Beladung durch Solar- und Wärmepum-
penkreislauf
Bei diesem Anlagensystem erfolgt über den Solarkreis neben einer Erwärmung des
Trinkwarmwassers auch eine solare Heizungsunterstützung (Abbildung 2).
Um die Wärmepumpe effizient zu betreiben, empfiehlt es sich, den Speicher mittels
Schichtenladevorrichtungen auf niedrigen Temperaturniveaus zu beladen.
Abbildung 2 Kombispeicheranlage mit Beladung durch Solar- und Wärmepumpenkreislauf
Ergebnisse
Alle folgenden Ergebnisse wurden mit Simulationen des Anlagensystems mit solar
unterstützter Trinkwarmwassererwärmung entsprechend Abbildung 1 erzielt.
Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Randbedingungen.

Tabelle 1 Randbedingungen der Simulationen
Parameter Wert
Leistung der Wärmepumpe
10,4 kW bei Sole/Wasser (B0/W35, EN 14511)
9,7 kW bei Luft/Wasser (A7/W35, EN 14511)
Kollektorfläche 6 m²
Heizlast 7,5 kW
Durchschnittlicher Trinkwarmwasserverbrauch
220 l/Tag
Solltemperatur Warmwasser 50 °C
TWW-Lastgang (Verbrauchsprofil) Einfamilienhaus (Abendspitze)
Volumen WW-Speicher 400 l
Standort Würzburg
Erdreich-Dichte 2000 kg/m³
Erdreich-Wärmeleitfähigkeit 1 W/(mK)
Erdreich-Wärmekapazität (massespez.) 800 J/(kgK)
Temperaturabhängigkeiten der Arbeitszahl
Mit den in T*SOL vorhandenen Möglichkeiten der grafischen Ergebnisausgabe kann
das thermodynamische Verhalten der Wärmepumpe im Detail dargestellt werden.
Abbildung 3 zeigt die Änderung der Arbeitszahl (AZ, ▲) aufgrund der drei im We-
sentlichen das Leistungsverhalten bestimmenden Temperaturen: der Quelltempera-
tur ( ), der heizkreisseitigen Vorlauftemperatur (▼) und der heizkreisseitigen
Rücklauftemperatur (□).
Alle Größen sind für den 1. Februar über der Uhrzeit aufgetragen.
Zwischen sieben und neun Uhr morgens ist eine Energielieferung für die Trinkwarm-
wassererwärmung dargestellt, im Anschluss daran wird der Speicher wieder beladen
und die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe erhöht sich entsprechend, um das Ni-
veau für die Trinkwarmwassererwärmung zu erreichen. Der Anstieg der Vorlauftem-
peratur hat einen Anstieg der Arbeitszahl und der Rücklauftemperatur zur Folge.
Nach erfolgter Speicherbeladung, kurz vor und elf Uhr, fallen Vor- und Rücklauftem-
peratur wieder und infolge dessen steigt die Arbeitszahl wieder an.
Besonders auffällig ist, dass in dem Zeitraum, in dem Vor- und Rücklauftemperatur
gleichzeitig fallen, der Anstieg der Arbeitszahl besonders hoch ist, was sich durch die
verbesserten Wärmeübertragungsbedingungen bei niedrigen Rücklauftemperaturen
am Verflüssiger der Wärmepumpe erklären lässt. Die Grafik zeigt damit, dass der
Wärmepumpenrechenkern nicht nur die Abhängigkeit der Arbeitszahl vom Tempera-
turhub, sondern auch die von der heizkreisseitigen Spreizung an der Wärmepumpe
simuliert.

Abbildung 3 Temperatur- und Arbeitszahländerungen aufgrund von Trinkwarmwasserbedarfen bei
einem Einfamilienhaus am 1. Februar in Würzburg mit dem TWW-Verbrauchsprofil Abendspitze
Parametervariationen der Wärmequelle
Im Folgenden wird untersucht, welche Auswirkungen Änderungen, bzw. unterschied-
liche Parametrierungen der Wärmequelle auf die Arbeitszahl und den Strom-
verbrauch haben.
In den Abbildungen 4, 6 und 7 sind jeweils die wochengemittelten Werte der Quell-
temperatur (▼), des Stromverbrauchs (■) und der Arbeitszahl ( ) über ein Jahr auf-
getragen.
Die Abbildungen 4 und 6 zeigen Ergebnisse für die Wärmequelle Erdreich mit einer
Erdwärmesonde, wobei die Länge der Erdwärmesonde variiert wurde. Die Simulatio-
nen liefen jeweils mit einer Vorsimulation des ersten Betriebsjahres, weil in diesem
aufgrund der anfangs ungestörten Erdreichtemperaturen im Vergleich zu den Folge-
jahren noch überdurchschnittlich hohe Jahresarbeitszahlen erzielt werden.
Abbildung 4 zeigt die Simulationsergebnisse der betrachteten Anlage mit einer 70 m
langen Erdwärmesonde. Man erkennt einen Jahresstromverbrauch von 4133 kWh
und mit 3,2 eine sehr niedrige Jahresarbeitszahl. Als wichtiges Ergebnis ist in dieser
Grafik noch zu erkennen, dass die Temperatur der eintretenden Sole (▼) über meh-

ere Wochen die Grenze von -5°C nicht überschreitet, was zum Gefrieren des Erd-
bodens um die Erdwärmesonde führen würde. Insbesondere die geringe Jahresar-
beitszahl und die niedrige Soletemperatur zeigen, dass die Erdwärmesonde mit 70 m
Länge stark unterdimensioniert ist.
Abbildung 4 Erdreichsonde 70 m, zweites Betriebsjahr, Werte wochengemittelt
Für den Fall der mit 70 m unterdimensionierten Erdwärmesonde sind die Auswirkun-
gen der geringen Soletemperatur auf das umgebende Erdreich in Abbildung 5 darge-
stellt.
Die tagesgemittelten Temperaturen der aus dem Erdreich austretenden Sole und der
des Erdreichs in verschiedenen Radien vom Sondenmittelpunkt sind über der Zeit-
achse aufgetragen.

Abbildung 5 Erdreichsonde 70 m, zweites Betriebsjahr, Temperaturen tagesgemittelt
Abbildung 6 zeigt, dass für eine größer dimensionierte Erdwärmesonde (200 m Län-
ge) jährlich ca. eine Megawattstunde Strom eingespart wird und die Jahresarbeits-
zahl mit 4,3 einen hohen Wert hat.
Die Verlaufskurve der Soletemperatur (▼) zeigt vor allen Dingen, dass die Tempera-
tur der in die Wärmepumpe eintretenden Sole nie die Nullgradgrenze unterschreitet.
Abbildung 6 Erdreichsonde 200 m, zweites Betriebsjahr, Werte wochengemittelt

In der dritten Variante wurde die Sole/Wasser-Wärmepumpe durch eine Luft/Wasser-
Wärmepumpe der gleichen Leistungsklasse von ca. 10 kW ausgetauscht.
In der Legende von Abbildung 7 ist zu erkennen, dass ein Austausch der Wärme-
quelle Erdreich gegen die Wärmequelle Luft mit den in Würzburg herrschenden Kli-
madaten zu ungünstigeren Ergebnissen bezüglich des jährlichen Stromverbrauchs
(4338 kWh) und Jahresarbeitszahl (3,1) führt, als dies selbst bei einer zu gering di-
mensionierten Erdwärmesonde der Fall ist.
Abbildung 7 Luft/Wasser-Wärmepumpe anstatt Sole/Wasser-Wärmepumpe, Klimadaten Würzburg
Validierung
Der neue Wärmepumpenrechenkern von T*SOL wird momentan mit Hilfe vom
Fraunhofer ISE gewonnener Erkenntnisse aus einem Monitoring von über 100 Wär-
mepumpenanlagen validiert. Der Fokus liegt hierbei erst einmal auf der Validierung
der Wärmepumpe.

Ausblick
Viele andere Kombinationen solarthermischer Anlagen mit Wärmepumpen sind noch
möglich, bereits auf dem Markt oder wurden insbesondere in der letzten Zeit in der
Fachliteratur beschrieben [Hart09, IKZ09, Tro09a, Tro09b]. Als wichtigste wären fol-
gende zu nennen:
• sogenannte kombinierte Systeme, bei denen der Solarkreis mit der Wärme-
pumpe gekoppelt ist (solarbeheizte Wärmequellen)
• Anlagensysteme mit solarer Regeneration des Erdreichs (Wiederherstellung
der Temperatur des ungestörten Erdreichs)
Anlagensysteme mit solarbeheizten Wärmequellen und solche mit solarer Regeneration
des Erdreichs sollen in späteren Versionen von T*SOL simulierbar sein.
Fachliteratur
[Hart09] HARTMANN, Frank; SCHWARZBURGER, Heiko: Systemtechnik für Wärmepumpen
: Solar- und Umweltwärme für Wohngebäude; München ; Heidelberg:
Hüthig & Pflaum, 2009 - ISBN 978-3-8101-0230-0
[IKZ09] Kombination von Solarenergie und Wärmepumpe : Verheißungsvolle
Verbindung. In: IKZ-ENERGIE, 1/2009, S. 120 - 123
[Tro09a] TROJEK, Stefan: Auxiliary heating is on its way. In: Sun & Wind Energy,
4/2009, pp. 62-71
[Tro09b] TROJEK, Stefan; AUGSTEN, Eva: Sie finden zusammen. In: Sonne Wind &
Wärme, 6/2009, S. 76-81