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Energetische Betriebsoptimierung und Regelung
von Luft-Wasser-Wärmepumpen
Zertifikatsarbeit CAS Energieeffizienz 2013
Von Thomas Lasikowski, Stefan Brägger
6. Mai 2013
Zertifikatsarbeit CAS EF 13, Institut Energie am Bau 1/30

Autor/innen
Thomas Lasikowski
MSc Ingegnere ambientale, Dipl.Ing. Reg A
Casa Gioia, 6963 Cureggia
IFEC Consulenze SA , Casella postale 505, 6802 Rivera-Monteceneri
thomas.lasikowski@ifec.ch
Stefan Brägger
Dipl. El. Ing HTL
Espelstrasse 45, 8308 Illnau
Stadtwerk Winterthur, Untere Schöntalstrasse 12, 8406 Winterthur
stefan.braegger@win.ch
Der vorliegende Bericht wurde von den Studierenden des CAS Energieeffizienz im Rahmen einer
Zertifikatsarbeit erarbeitet.
Es muss an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass die Arbeit nicht im Rahmen eines
Auftragsverhältnisses erstellt wurde.
Weder die Autor/innen noch die Fachhochschule Nordwestschweiz können deshalb für Aktivitäten auf der
Basis dieser Studierendenarbeit planerische Haftung übernehmen.
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 2/30

Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wird der optimierte Betrieb von Luft-Wasser-Wärmepumpen
untersucht. Ein kostenoptimierter Betrieb zu Strom Niedertarifzeiten wird
mit einem energieoptimierten Betrieb zu Zeiten mit hohen Quellentemperaturen
verglichen. Es werden sowohl der Energieverbrauch, die Energiekosten, die
Anlageneffizienz als auch der Nutzerkomfort berücksichtigt.
Nach theoretischen Betrachtungen der Zusammenhänge und Einflussfaktoren
werden mittels Polysun Wärmepumpensysteme realitätsnah simuliert. Polysun
greift dabei auf Klimadaten der verschiedenen Standorte zu, verwendet die
Prüfdaten von realen Wärmepumpen und berechnet das Verhalten von konkreten
Gebäuden mit all ihren Eigenschaften. Die Simulation erfolgt für die drei Standorte
Bern, Zermatt und Lugano. Der Betrieb von Warmwassererzeugung und Heizung
wird zur Erhöhung der Transparenz separiert analysiert. Es werden keine
regelbaren Wärmepumpen eingesetzt, da diese in Polysun noch nicht unterstützt
werden.
Die Analysen zeigen, dass durch eine Verschiebung der Betriebszeit von Luft-
Wasser-Wärmepumpen Energie in der Grössenordnung von einigen Prozent
eingespart werden kann. Für einen durchschnittlichen Standort wie Bern beträgt
die Einsparung in der geprüften Konfiguration 5%. Die Jahresarbeitszahlen
erhöhen sich dabei für den Warmwasserbetrieb um 5% und für den
Heizungsbetrieb um knapp 4%. Die Komfortbedingungen können für alle
Betriebsfälle eingehalten werden. Am kostengünstigsten ist nach wie vor der
Betrieb zu Niedertarifzeiten. Die energieoptimierte Variante zeigt trotz
Energieeinsparungen, Mehrkosten von 33%. Der energieoptimierte Betrieb ist mit
den in der Arbeit verwendeten einfachen Steuerungen nach wirtschaftlichen
Gesichtspunkten nicht begründbar. Die Verhältnisse sind an den Standorten
Zermatt und Lugano bei der Warmwassererzeugung ähnlich. Bei der Heizung
gehen die Werte deutlich auseinander. Während in Lugano eine Einsparung bis
10 % berechnet wurde, ist diese in Zermatt gerade mal 3%.
Die Analysen zeigen auch, dass durch den Einsatz von regelbaren Wärmepumpen
und intelligenten Steuerungen die Optimierungspotentiale deutlich besser
ausgenutzt werden könnten.
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 3/30

Inhaltsverzeichnis
1. Einführung ..................................................................................................... 5
2. Zusammenhänge und Einflussgrössen ........................................................ 5
2.1. Funktion Luft-Wasser-Wärmepumpe ................................................... 5
2.2. Kenngrössen zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen ....... 7
2.3. Effizienzminderung durch Vereisungs- und Abtauungsvorgänge ........ 8
2.4. Einsatzgrenzen von Luft-Wasser-Wärmepumpen ............................. 10
2.5. Leistungskurve versus Heizungsbedarf ............................................. 10
2.6. Stromtarifmodelle und Kostenoptimierung ......................................... 12
2.7. Einfluss Betriebszeiten auf die Leistungsauslegung .......................... 12
2.8. Zwischenspeicher ............................................................................... 12
2.9. Nutzung der Wärmekapazität der Gebäudemasse ............................ 13
2.10. Wärmespeicherung und Auskühlverhalten in Heizpausen ................ 13
2.11. Vergleich Wärmeabgabesysteme ...................................................... 13
2.12. Komfortbedingungen .......................................................................... 14
3. Simulation, Optimierung und Analyse ........................................................ 14
3.1. Grundlagen und Eigenheiten Polysun Simulation .............................. 14
3.2. Beschreibung Referenzszenario ........................................................ 15
3.3. Vergleich und Wahl der Anlagenhydraulik ......................................... 16
3.4. Prüfung der Versorgung im Teilzeitbetrieb ......................................... 18
3.5. Wärmespeicherung und Auskühlverhalten in Heizpausen ................ 19
3.6. Trennung von Heizkreislauf und Warmwasser Aufbereitung ............. 19
3.7. Optimierungsstrategien ...................................................................... 20
3.8. Simulation der Optimierung für den Heizbedarf ................................. 22
3.9. Simulation der Optimierung für den Warmwasserbedarf ................... 24
3.10. Zusammenzug und Gesamtanalyse ................................................... 25
3.11. Ganzjahresbetrachtung Effizienz und Kosten .................................... 25
3.12. Anwendbarkeit der Optimierung in anderer Klimasituation ................ 25
4. Fazit ............................................................................................................. 28
5. Ausblick weitere Optimierungen ................................................................. 29
6. Quellenverzeichnis ...................................................................................... 30
Anhang A:
Anhang B:
Zeiteinstellungen in Polysun
Berichte Polysun Simulationen
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 4/30

1. Einführung
Ausgangslage
Wärmepumpen haben in der Schweiz eine weite Verbreitung. Sie haben den
Vorteil, dass sie sozusagen „Gratis-Energie“ aus der Umwelt beziehen. Dies
erfolgt meist aus einer Erdwärmesonde oder aus der Umgebungsluft. In einigen
Fällen wird auch Abwärme genutzt. Aufgrund der tiefen Investitionskosten werden
Luft-Wasser-Wärmepumpen relativ häufig eingesetzt. Zur Kosteneinsparung im
Betrieb werden Luft-Wasser-Wärmepumpen oft während der Strom-Niedertarif-
Zeiten in der Nacht betrieben. Es wird dabei ein Mehrverbrauch an Energie
aufgrund der tieferen Quellentemperaturen und der damit verbundenen Minderung
des Wirkungsgrades (Arbeitszahl) in Kauf genommen.
Ziele der Arbeit
Ziel dieser Arbeit ist es, anhand einer Beispielkonfiguration den optimalen Betrieb
von Luft-Wasser-Wärmepumpen mit Fokus auf energieoptimierte Betriebszeiten zu
finden. Die Komfortansprüche der Gebäudenutzer sind zu berücksichtigen. Die
Unterschiede in Kosten, Energieverbrauch und Anlageneffizienz sollen aufgezeigt
werden. Die Berechnungen sollen für drei unterschiedliche Klimasituationen
durchgeführt werden.
Abgrenzung und Definitionen
In der Arbeit wird von modernen, heute verfügbaren Wärmepumpen ausgegangen.
Es werden keine Optimierungen in der Wärmepumpe selbst vorgenommen.
Verschiedene Produkte und unterschiedliche Konfigurationen erreichen
unterschiedliche Wirkungsgrade. Hauptziel der Arbeit ist es, die Optimierungspotentiale
darzustellen, weniger die optimalsten Produkte zu finden. Nicht
berücksichtigt werden regelbare Wärmepumpen, da diese leider in Polysun noch
nicht unterstützt werden.
Vorgehen
Die Arbeit basiert auf einer Standard-Wärmepumpen Konfiguration, welche zu
verschiedenen Zeiten betrieben wird. Die Energieabgabe erfolgt auf ein konkretes
Gebäude, welches mittels Gebäudesimulation eine reale Abnahmecharakteristik
aufweist. Auch die Warmwassererzeugung arbeitet gegen ein entsprechendes
Abnahmeschema. Nach den theoretischen Betrachtungen über die Zusammenhänge,
die Einflussgrössen und die erwarteten Optimierungspotentiale wird die
Optimierung mit Polysun 6.0 simuliert und die Resultate analysiert. Basisstandort
ist Bern, ein durchschnittlicher Mittelland-Standort mit winterlichen Nebelanteilen.
Zusätzlich werden Simulationen für Zermatt und Lugano durchgeführt.
2. Zusammenhänge und Einflussgrössen
2.1. Funktion Luft-Wasser-Wärmepumpe
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe ist vom Prinzip her eine Wärme-Kraft-Maschine,
welche umgekehrt genutzt wird. Es wird mit Hilfe von mechanischer Antriebsenergie,
Wärmeenergie von einem tiefen Temperaturniveau auf ein höheres
Temperaturniveau gebracht. Mit diesem Prinzip lassen sich die riesigen, in der
Umwelt auf tiefem Temperaturniveau vorhandenen Energiemengen für Heizung
und Warmwasseraufbereitung nutzen. Die zugeführte Antriebsenergie ist in der
Schweiz meist Strom.
Neben dem Vorteil einer an sich unerschöpflichen Wärmequelle hat die Nutzung
der Aussenluft im Vergleich mit anderen natürlichen Wärmequellen auch einige
Nachteile:
- Grösster Heizwärmebedarf bei tiefster Quellentemperatur und tiefster
Leistung der Wärmepumpe
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 5/30

- Sehr grosse Schwankungen der Quellentemperatur
- Wärmeübergang von Luft auf Wärmetauscher ist relativ schlecht
- Probleme mit Luftfeuchtigkeit und Vereisung
- Lärmemissionen
- Wartungsbedarf
Die typischen Komponenten einer Wärmepumpenanlage sind: Der Verdampfer,
welcher die Energie aus der Aussenluft aufnimmt und dabei den Flüssiganteil im
zugeführten Nassdampf verdampft. Der Verdichter, welcher das kühle Niederdruck-Gas
auf ein heisses Hochdruck-Gas verdichtet. Der Kondensator, welcher
das heisse Gas kondensiert und dabei Energie auf hohem Temperaturniveau an
das Heizsystem abgibt und das Expansionsventil, welches die noch warme
Hochdruck-Flüssigkeit in kalten Niederdruck-Nassdampf umwandelt.
Abbildung 1: Illustration Wärmepumpenprozess, Bild: Westfalen AG
Diese Hauptkomponenten zeigen auch die wichtigsten Optimierungspotentiale
einer Wärmepumpe. Zusammengefasst sind dies:
- hohe Temperaturen der Umweltwärme an den Verdampfer
- hoher Wirkungsgrad des Kompressors.
- tiefe Vorlauftemperaturen des Heizkreises
- Optimierung oder Steuerung des Expansionsmechanismus
- geeignetes Kältemittel
- Abtaukonzepte
Die Zusammenhänge zur Optimierung werden später im Dokument im Detail
dargestellt.
Kältemittel: Die Wahl des richtigen Kältemittels hat wesentlichen Einfluss auf
Wirkung, Konstruktionsaufwand und Energieverbrauch einer Kälteanlage.
Kältemittel sollten weder brennbar, noch giftig oder korrosiv sein. Darüber hinaus
sind folgende grundsätzlichen Eigenschaften gefragt: gute Mischbarkeit mit Öl,
thermische und chemische Stabilität, hohe Kälte- und Wärmeleistung bei geringem
Energieaufwand, günstige Druckverhältnisse, niedrige Verdichtungsendtemperatur,
gutes Preis-Leistungs-Verhältnis.
Verdichter: Aus folgenden Gründen werden oft Scroll Verdichter eingesetzt:
Kompakte Bauweise, günstige Herstellung, Unempfindlichkeit gegen Flüssigkeitsschläge,
wenig Verschleissteile. Der Scroll Verdichter hat aber auch Nachteile:
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 6/30

Nicht geeignet für hohe Temperaturhübe, fixes Volumenverhältnis, relativ laut
(2’900 min -1), relativ schmales Einsatzgebiet
Hubkolbenverdichter werden wieder vermehrt eingesetzt, weil sie hohe
Temperaturhübe ermöglichen. Zudem haben sie einen konstanten Liefergrad und
eine hohe Effizienz.
Schraubenverdichter und Turboverdichter werden nur für Wärmepumpen hoher
Leistung eingesetzt.
(Quelle: Folien Eicher und Pauli)
2.2. Kenngrössen zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen
Arbeitszahl ε bzw. COP
Die Arbeitszahl ε (Epsilon) bzw. der COP-Wert (Coefficient of Performance) ist das
Mass für die Effizienz einer Wärmepumpe. Sie bezeichnet das Verhältnis zwischen
der abgegebenen Wärmeleistung und der aufgenommenen elektrischen Leistung.
Die Arbeitszahl wird an definierten Betriebspunkten gemessen.
Die Arbeitszahl ist stark abhängig von der Temperaturdifferenz der Wärmequelle
zur Wärmesenke. Je tiefer die Temperaturdifferenz desto höher wird die
Arbeitszahl der Wärmepumpe. Die theoretisch mögliche, maximale Arbeitszahl ist
dabei gegeben durch folgende Gleichung nach Carnot. In der Formel werden
absolute Temperaturen in °K eingesetzt.
Die Graphik unten zeigt die theoretische Arbeitszahl nach Carnot (COP Carnot).
Deutlich zu erkennen sind die hohen Arbeitszahlen bei niedrigen
Temperaturspreizungen von Wärmequelle zu Wärmesenke. Bei realen Systemen
muss der Gütegrad η (Eta) der Wärmepumpe mitberücksichtigt werden. Die reale
Arbeitszahl folgt demnach der Gleichung ε = ε c *η (ε=COP). Der Gütegrad ist
immer kleiner 1 und bewegt sich typischerweise zwischen 0.3 und 0.6. in
handelsüblichen Systemen
Abbildung 2: COP in Abhängigkeit vom Temperaturhub
[Stadt Zürich, Erhöhung Quellentemperatur WP 2011]
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 7/30

Die Jahresarbeitszahl (JAZ)
Die Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Wärmepumpe stellt das Verhältnis zwischen der
abgegebenen Wärmeenergie (kWh) zur aufgenommenen elektrischen Energie
(kWh) im Verlauf eines Jahres dar. Je nach Systemgrenze kommen verschiedene
Definitionen zur Anwendung. Zwei davon werden in der vorliegenden Arbeit
verwendet.
Die JAZsys beinhaltet die gesamten Energieaufwendungen für den Antrieb der
Wärmepumpe und der Umwälzpumpen. Es wird die gesamte an Heizsystem und
Warmwasserverbraucher gelieferte Nutzenergie berechnet. Verluste an Speicher
verschlechtern diese Jahreszahl. Die JAZsys ist gut geeignet, um verschiedene
Gesamtsysteme miteinander zu vergleichen.
Die JAZerz beinhaltet ebenfalls die gesamten Energieaufwendungen für den
Antrieb der Wärmepumpe und der Umwälzpumpen. Zudem wird die gesamte von
der Wärmepumpe abgegebene Energie berücksichtigt. Verluste in nachgeschalteten
Speichern haben keinen Einfluss auf die JAZerz. Die JAZerz ist gut
geeignet um verschiedene Wärmeerzeuger miteinander zu vergleichen.
2.3. Effizienzminderung durch Vereisungs- und Abtauungsvorgänge
Beim Betrieb von Luft-Wasser-Wärmepumpen wird Feuchtigkeit aus der
Umgebungsluft am Verdampfer in Form von Wasser oder Eis abgelagert. Während
die Wasserablagerung einen positiven Einfluss auf die Effizienz aufweist, ist die
Eisablagerung unerwünscht. Die Eisschicht muss in regelmässigen Abständen
mittels Abtauungszyklus entfernt werden. Die Eisschicht und die Abtauung
vermindern so die Effizienz und die Leistungsfähigkeit des Systems. Der
Abtauungsbedarf hängt von der Luftfeuchtigkeit, der Lufttemperatur, der
Verdampfertemperatur, der Verdampferoberfläche sowie der Luftmenge ab.
Abbildung 3: Kondensations und Vereisungsvorgänge am Verdampfer
[BFE, Bertsch Ehrbar, Hubacher 2002]
Erklärung: Feuchte Luft LE wird am Verdampfer abgekühlt. Sobald der
Kondensationspunkt erreicht ist, wird Wasser am Verdampfer abgelagert. Bei
Verdampfer-Temperaturen unter 0 °C gefriert dieses zu Eis und bleibt am
Verdampfer haften.
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 8/30

Verschiedene Abtautechniken kommen zur Anwendung [BFE, Bertsch Ehrbar,
Hubacher 2002]:
- natürliches Abtauen (bei Umgebungstemperaturen von >0° möglich)
- Heissgas-Abtauung (HG)
- Prozessumkehr-Abtauung (PU)
Natürliches Abtauen ist dabei die energieeffizienteste Methode. Voraussetzung
dafür sind Umgebungstemperaturen über 0°C und genügend Stillstandzeit der
Wärmepumpe. Neben der Wahl des Abtausystems entscheidet eine geschickte
Steuerung der Abtauzyklen über die Effizienz des Systems.
Abbildung 4: Häufigkeitsverteilung von Abtauvorgängen (gemessen 2005)
[BFE, Ehrbar, Bertsch, Schwendener... 2005]
Obige Darstellung zeigt den Bedarf an Abtauungsvorgängen in Abhängigkeit der
Quellentemperatur. Bei Aussenlufttemperaturen leicht über Null Grad ist der
Bedarf für Abtauungen am höchsten. Bei Temperaturen darüber und darunter sinkt
der Bedarf massiv.
Eine Verschiebung der Betriebszeit von Luft-Wasser-Wärmepumpen von feuchtem
und kühlen Nachtklima zu wärmerem und trockenerem Tagesklima wird sich
positiv auf die Arbeitszahl auswirken. Die Vorteile einer Verschiebung von leicht
negativen zu leicht positiven Temperaturen können unter Umständen durch
Abtauvorgänge neutralisiert werden.
Die Auswirkung dieser Effekte auf die Leistungsfähigkeit eines Beispielsystems
sind in folgender Leistungskurve einer Luft-Wasser-Wärmepumpe erkennbar.
Abbildung 5: Leistungskurve Luft-Wasser-Wärmepumpe [Stiebel Eltron]
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 9/30

2.4. Einsatzgrenzen von Luft-Wasser-Wärmepumpen
Luft-Wasser-Wärmepumpen werden für sehr breite Einsatzbereiche hergestellt.
Dies bedeutet hohe Anforderungen an die Materialien und die Konstruktion. Druck
und Temperatur stehen bei einer Wärmepumpe in einem sehr engen Verhältnis.
Je höher die Temperaturen, desto höher ist der Druck. Die Druckverhältnisse sind
andererseits von den verwendeten Kältemitteln abhängig. Nicht jedes Kältemittel
ist für jeden Einsatzbereich geeignet. Verdampfer, Kompressoren und andere
Komponenten sind in der Druckfestigkeit begrenzt. Wärmepumpenhersteller
suchen nach dem Optimum zwischen Funktionalität, Wirtschaftlichkeit und
Dauerhaftigkeit.
Nach Wärmepumpen Testzentrum WPZ Buchs sind die Einsatzgrenzen bei
handelsüblichen Luft-Wasser-Wärmepumpen für die Wärmequellen im Bereich
von -15 °C bis +30 °C., für die Wärmesenke im Bereich von +20 °C bis +60 °C
Hersteller sprechen vom Temperaturbereich der Wärmequelle von -20 °C bis
+40°C und der Wärmesenke bis +65 °C. Beispiel: Heliotherm HP10L, -15 °C bis
+40 °C, Stiebel Eltron WPL15, -20 °C bis +40°C, Wärmesenke +65 °C
Eine genauere Betrachtung zeigt, dass heutige ungeregelte Wärmepumpen kaum
über einen so weiten Bereich optimal arbeiten können. Bei hohen Temperaturen
ist der resultierende hohe Druck ein Problem. Handelsübliche Wärmepumpen
schützen sich mit verschiedenen Massnahmen. Die Wärmepumpe von Heliotherm
zum Beispiel ermöglicht Quelltemperaturen bis 40°C, indem sie die Verdampfertemperatur
bewusst tief hält (viele andere Wärmepumpen benützen die gleiche
Technik). Über ca. 15-20 °C wird der Luftstrom zum Verdampfer verringert. So
stellt sich eine tiefere Verdampfertemperatur ein. Dies schützt das System vor
Überdruck Problemen. Hohe Vorlauftemperaturen über 20°C führen aus diesem
Grund nicht mehr zu verbesserten Arbeitszahlen der Wärmepumpe. Die Funktion
bis 40°C ist garantiert, was trotzdem von Vorteil ist.
Die Graphik unten zeigt ein typisches Einsatzfeld einer Luft-Wasser-Wärmepumpe
mit und ohne regelbarem Verdampferluftstrom.
Abbildung 6: Einsatzbereich Luft-Wasser-WP [Armec Sagl]
2.5. Leistungskurve versus Heizungsbedarf
Ein grundlegendes Problem von Luft-Wasser-Wärmepumpen für den
Heizungsbedarf sind die gegenläufigen Kennlinien von Erzeugungsleistung und
Wärmebedarf. Gerade bei sehr tiefen Aussentemperaturen mit dem grössten
Wärmebedarf bringt die Standard-Wärmepumpe die geringste Wärmeleistung. In
der Praxis wird aus diesem Grund die Luft-Wasser-Wärmepumpe tendenziell
leistungsstark dimensioniert. Bei Auslegetemperatur soll die gewünschte Leistung
bei der vorgegebenen Betriebszeit erbracht werden. Dabei wird meist noch ein
Leistungszuschlag eingerechnet, damit sicher immer genügend Heizwärme zur
Verfügung steht.
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 10/30

Heizgrenze
Abbildung 7: Leistungskurve Wärmepumpe versus Wärmebedarf [Elco Fachinfo]
Die Anzahl Stunden mit sehr tiefen Temperaturen und maximalem Heizbedarf ist
klein (siehe Graphik unten). Herkömmliche Luft-Wasser-Wärmepumpen sind daher
für die häufigsten Betriebssituationen deutlich überdimensioniert. Die oft zu hohe
Leistungsabgabe bewirkt häufige Start-Stop-Zyklen und erhöhte Vorlauftemperaturen
des Heizkreises. Dies wirkt sich negativ auf die Arbeitszahl aus.
Abhilfe schaffen hier geregelte Wärmepumpen, wie sie neu auch im Ein- und
Mehrfamilienhaus-Bereich vereinzelt angeboten werden. Geregelte
Wärmepumpen werden in der aktuellen Version von Polysun nicht unterstützt. Ein
entsprechendes Projekt ist in Arbeit. Eine Optimierung mittels geregelter
Wärmepumpe wird in dieser Arbeit, wie in der Einleitung erwähnt, nicht weiter
untersucht.
Abbildung 8: Häufigkeiten von Aussentemperaturen in Bern nach SIA 2028
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 11/30

2.6. Stromtarifmodelle und Kostenoptimierung
Ein Grossteil der Schweizer Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU) arbeitet
heute mit zeitbasierten Tarifmodellen. Meist sind dies Hochtarif-Niedertarif
Modelle. Es bestehen die unterschiedlichsten Tarifzeitmodelle. Zudem hat jedes
EVU unterschiedliche Strompreise. Zur Erhöhung der Vergleichbarkeit wird ein
durchschnittliches Tarifmodell wie folgt für alle Berechnungen angewendet:
Hochtarif: 18Rp./kWh 6:00 bis 21:00
Niedertarif: 10Rp./kWh 21:00 bis 6:00
Ausblick Entwicklung Tarifzeiten
Wie die Erfahrungen aus Deutschland zeigen, werden sich die Netzverhältnisse
mit Einführung grösserer Mengen an Photovoltaik Strom deutlich verändern. Die
Entwicklung wird von der heutigen Stromknappheit in einigen Jahren zu einem
deutlichen Stromüberschuss über Mittag führen. Es ist zu erwarten, dass zu
gegebener Zeit die Stromtarifmodelle angepasst werden. Zudem ist es
wahrscheinlich, dass die Lastregelung höheren Stellenwert erhält. Sperrzeiten
werden sich weg vom Mittag hin zu Morgen oder Abendstunden verschieben. Die
in dieser Arbeit untersuchten Szenarien werden daher in späterer Zukunft auch
wirtschaftlich an Relevanz gewinnen.
Abbildung 9: Beispiel Tagesverlauf Solarstrom Erzeugung [Suncontrol-portal]
2.7. Einfluss Betriebszeiten auf die Leistungsauslegung
Da Strom in der Nacht günstiger ist, werden Luft-Wasser-Wärmepumpen oft in der
Nacht betrieben. Aufgrund der eingeschränkten Betriebszeiten muss die Anlage
für diesen Betrieb nochmals deutlich leistungsstärker sein. Die tieferen
Nachttemperaturen bieten zudem schlechtere Grundbedingungen für einen
effizienten Betrieb der Wärmepumpe. Auch bei Quasi 24 h Betrieb muss auf die
Sperrzeiten der Energieversorger geachtet werden. Es ist üblich, dass die
Wärmepumpen während der Lastspitzen im Stromnetz nicht betrieben werden
dürfen. Eine entsprechende Leistungsvorhaltung ist vorzusehen.
2.8. Zwischenspeicher
Oft werden Heizsysteme mittels Parallelspeichern im Heizkreis betrieben. Dies hat
insbesondere beim Einsatz von Wärmepumpen Nachteile. Parallelspeicher werden
meist mit einer erhöhten Vorlauftemperatur vorgeladen und dann über den
Heizkreis entladen. Die erhöhte Ladetemperatur und die Speicherverluste wirken
sich negativ auf die Systemeffizienz aus. Im Bereich der EFH mit Bodenheizung
werden aus diesem Grund oft speicherlose Systeme verwendet. In Leichtbauhäusern
mit Radiatoren und eingeschränkten Betriebszeiten des Heizsystems
sind Zwischenspeicher notwendig. Die Speicherung erfolgt in diesen Fällen meist
mit grossen Wasserspeichern. Als Beispiel sei hier ein Speicher von 1‘000 l Inhalt
aufgeführt. Dieser kann bei einer nutzbaren Temperaturspreizung von 20 °C eine
Energie von 1000*20*4.18 */3600 = 23 kWh Speichern. Dies (entspricht dem
Energieinhalt von ca. 2.3 l Heizöl. Eine 10kW Heizung füllt den Speicher in 2h 18
min. Bei 5kW Entnahmeleistung wird er in knapp 5h wieder entladen. Das Beispiel
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 12/30

zeigt, dass relativ grosse Wasserspeicher zur Zwischenspeicherung von Wärme
notwendig sind. Zudem ist die Speicherung verlustbehaftet. Bei Speichern für
grosse Energiemengen und begrenzten Platzverhältnissen kann der Einsatz von
Phasenwechsel-Medien in Betracht gezogen werden. Mit dieser Technik kann das
Volumen reduziert werden. Mit der Verkleinerung des Volumens sinken auch die
Verluste. Phasenwechsel-Speicher werden in der Praxis noch selten eingesetzt.
2.9. Nutzung der Wärmekapazität der Gebäudemasse
In massiv gebauten Häusern bietet die Gebäudemasse meist genug
Speicherkapazität, um das Raumklima über viele Stunden im Komfortbereich zu
halten. In gewissen Fällen kann in Betracht gezogen werden, die Gebäudemasse
zeitweise bewusst durch leicht erhöhte Temperaturen vorzuladen. Damit könnte
sichergestellt werden, dass die Komfort-Parameter in jedem Fall eingehalten
werden. Bei diesem Vorgehen muss aber berücksichtigt werden, dass bereits eine
kleine Erhöhung der Soll Temperatur zu einer deutlichen Erhöhung des
Verbrauchs führt. Als Faustregel wird hier oft folgender Zusammenhang angeführt:
„Ein Grad mehr führt zu 6-8 % höherem Energieverbrauch“. Eine Erhöhung der
Solltemperatur zur Sicherstellung eines 100.00 prozentigen Komforts muss also
sehr genau gegen andere Nachteile abgewogen werden. Zudem ist eine zeitweise
Anhebung der Solltemperatur in vielen Anwendungsfällen wegen dem Einsatz von
Thermostatventilen nicht möglich. Diese schliessen bei Erreichen der Solltemperatur,
so dass eine gezielte Vorladung der Gebäudemasse verhindert wird.
2.10. Wärmespeicherung und Auskühlverhalten in Heizpausen
Das Auskühlen eines Gebäudes oder Raumes folgt einer Exponentialfunktion. Die
Auskühlung ist dabei abhängig von der Fläche und dem U-Wert des Gebäudes,
der Wärmespeicherkapazität des Gebäudes sowie der Temperaturdifferenz.
ΔT(0)
ΔT(t)
Anfangstemperatur
Differenz bei t
Zeitkonstante (tau)
Abbildung 10: Berechnung des Auskühlverhaltens [Zürcher 2010]
2.11. Vergleich Wärmeabgabesysteme
Die Wärmeabgabesysteme Heizkörperheizung und Fussbodenheizung haben
beide ihre Vor-und Nachteile. Für den Einsatz mit Wärmepumpen sind
Bodenheizungen aufgrund der tiefen Vorlauftemperaturen die ideale Wahl.
Vorteile einer Fussbodenheizung: grosse Wärmeabgabe bei tiefer Vorlauftemperatur
und hohe Effizienz von Wärmepumpen, gute Temperaturverteilung
über die Raumhöhe, hohe Wärmespeicherung im Unterlagsboden, Selbstregeleffekte,
gewisses Potential zur Kühlung. Die Nachteile: Trägheit, kalter Boden bei
Steinplatten, nach Erstellung nicht mehr zugänglich, möglicher Kaltluftabfall z.B.
an Fenstern.
Vorteile einer Heizkörperheizung: rasche Reaktion auf Bedarfssituation,
Zugänglichkeit, Tagesstrahlung kann im Boden aufgenommen werden.
Vermeidung von Kaltluftabfall an kritischen Stellen.
Nachteile: höhere Vorlauftemperaturen, geringe Speicherkapazität bei
Unterbrechungen, Raumverlust.
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2.12. Komfortbedingungen
Das Behaglichkeitsempfinden des Menschen hängt von diversen Faktoren ab. Im
Zusammenhang mit der Gebäudesituation sind Ansprüche bezüglich Temperatur,
Luftqualität und Luftzug im Vordergrund.
- Einflüsse des Raumes
o mittlere Oberflächen-Temperaturen (Strahlungstemperatur) der
umgebenden Flächen
o örtliche Wärmestrahlungen von Geräten, Heiz- und Kühlflächen
- Einflüsse des Menschen
o Zusammenhänge mit der Tätigkeit (met-Wert)
o Bekleidung (clo-Wert)
- Einflüsse der Lüftungs- oder Klimaanlage
o Raumlufttemperatur
o Luftbewegung (Geschwindigkeit, Richtung, Turbulenz)
o relative Raumluftfeuchtigkeit
Raumtemperatur und Werte für die Bekleidung
Der clo Wert ist ein Mass für den Wärmedämmwert der Bekleidung eines
Menschen. Clo 1 entspricht einer typischen Haushaltsbekleidung im Winter. In SIA
383/1 wird für den Bereich mit Heizbedarf von einem clo Wert von 0.8 bis 1
ausgegangen. In SIA 382/1 ist der Bereich der Raumtemperatur entsprechend der
Aussentemperatur definiert. In der Heizperiode sind Temperaturen zwischen 21
und 24.5 °C vorgesehen. In SIA 2024 ist die Auslegetemperatur für Wohnräume
heute auf 21 °C festgelegt (Bereich 20-24 °C). In SIA 384.201 wird der
Komfortbereich für die Personenklasse B (10% unzufriedene) mit 20-24 °C
definiert. Für die vorliegende Arbeit wird ausgehend von den verschiedenen
Normen mit einer Solltemperatur von 21°C gearbeitet. Schwankungen in positive
und kleinere Schwankungen in negative Richtung werden akzeptiert. Die
Raumtemperatur soll dabei immer über 20 °C liegen.
Abbildung 11: SIA382/1 Raumtemperaturbereich nach Aussentemperatur
3. Simulation, Optimierung und Analyse
3.1. Grundlagen und Eigenheiten Polysun Simulation
Zeitsystem
In der vorliegenden Arbeit wird mit Zeitschaltuhren und Stromtarifzeiten gearbeitet.
Es ist dazu wichtig, die Eigenheiten des Polysun Zeitsystems zu verstehen.
Polysun verwendet ein lineares Zeitsystem in welchem die Stunden des Jahres
durchnummeriert sind. Die Stunde Null definiert dabei den Zeitraum von 00:00 bis
01:00 des ersten Tages im Jahr. Die Stunde 24 repräsentiert den Zeitraum von
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00:00 bis 01:00 des zweiten Tages im Jahr. Die letzte Stunde des Jahres hat
demnach die Bezeichnung 8759. Es wird mit „Normaljahren“ (kein Schaltjahr)
gearbeitet. Bei der Arbeit mit Stromtarifzeiten können die entsprechenden
Angaben in Excel bedarfsgerecht umgerechnet und die Tarifzyklen dazu definiert
werden. Eine Eigenheit ist bei der Verwendung von Schaltuhren in Polysun zu
beachten. In Schaltuhren werden die Zeiten von 1 bis 24 definiert. Wenn ein
Prozess in der Polysun Stunde Null von 00:00 bis 01:00 aktiv sein soll, muss in der
Schaltuhr die Eins aktiviert werden. Die folgende Graphik zeigt die Einstellung für
eine Betriebszeit von 21:00 bis 6:00
Abbildung 12: Polysun Zeitschaltuhr 21:00 bis 6:00 eingeschaltet
Alternativ zur Schaltuhr können Schaltvorgänge auch in einem Schaltprofil
hinterlegt werden. Dabei müssen die Angaben in Form von Jahressekunden
bereitgestellt werden. Die letzte Sekunde des Jahres hat dann die Nummer
31'535'999. Das Vorbereiten eines komplexeren Schaltprofils kann in Excel erfolgen.
Eine Kombination von Schaltprofil und Schaltuhr ist nicht möglich. Um die vorliegende
Arbeit nachvollziehbar zu halten, wird auf die Verwendung von externen Schaltprofilen
verzichtet.
Grenzen der Simulation:
Im Analysetool Polysun ist eine grosse Anzahl von Anlagenschemen vorhanden,
was eine rasches Arbeiten für Standardaufgaben ermöglicht. Bei Bedarf kann die
Hydraulik an die eigenen Bedürfnisse angepasst werden. Eine genauere Analyse
der Anwendung der verschiedenen Regler zeigt, dass die notwendige Flexibilität
für eine erweiterte Optimierung über Betriebszeiten und weiterer Parameter nicht
ausreicht. Bei den bestehenden Reglern ist es teils schwierig nachzuvollziehen,
nach welchen Algorithmen sie arbeiten. Dies trifft insbesondere beim kombinierten
Betrieb von Heizung und Warmwassererzeugung zu. Die Detailresultate von
Kombisystemen sind dadurch schwierig nachzuvollziehen.
Weitere Einschränkungen sind: Keine leistungsgeregelten Wärmepumpen. Keine
Kontrolle über die Abtauvorgänge. Keine Nutzung von Heissgas zur optimierten
Erzeugung von Warmwasser. Keine variable Kontrolle der Haustemperatur
(vorladen Gebäude auf leicht höherem Temperatur Niveau vor Pausezeiten).
Radiatoren und Bodenheizung reagieren gleich in der Wärmeabgabe (hier hätten
wir Unterschiede aufgrund der Speicherfähigkeit der Materialien erwartet).
3.2. Beschreibung Referenzszenario
Die Analysen werden an einem konkreten Objekt für die Standorte Bern, Zermatt
und Lugano durchgeführt. Basisstandort ist Bern. Klimadaten [SIA 2028]:
Standort MüM DurchschnTemp
[°C]
Globalstrahlung
[MJ/m 2 ]
DurchschnFeuchte
[g/m 3 ]
Bern 565 9.1 4178 7.26
Zermatt 1638 4.3 4770 4.49
Lugano 273 12.4 4429 8.21
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Wahl Gebäude
Es wird ein Einfamilienhaus – Niedrigenergiegebäude aus dem Katalog von
Polysun gewählt. Die Konstruktion weist einen mittleren U-Wert von 0.35 W/(m 2 K)
auf. Dies entspricht einem gewichteten Wert einer heutigen Neukonstruktion,
welche die Einzelanforderungen der SIA Norm 380/1 erfüllt (U-Wert Fenster 1.3
W/(m 2 K), opake Bauteile 0.2 W/(m2K), Fensteranteil Fassade S/O 25%, W 6%, N
13%). Der Luftwechsel beträgt 0.3 h -1 , ein hygienisch erforderlicher Luftwechsel für
Gebäude ohne mechanische Lüftung nach SIA 384.201.
Die spezifische Heizlast von 55 W/m 2 ist relativ hoch, wird aber so übernommen
(so werden Räume mit hohem Glasanteil oder komplizierter Geometrie gedeckt).
Der spezifische Heizenergiebedarf von 30 kWh/m 2 entspricht einem
Niedrigenergiehaus. Die Wärmekapazität des Gebäudes von 750 kJ/(m2K)
entspricht einer schweren Bauweise.
Für die Heizgradtage HGT20/12 wird für die Raumlufttemperatur ti = 21 °C und die
Heizgrenze tgr = 13 °C angenommen (SIA 381-3 definiert eine Heizgrenze von
12°C bei 20 °C Raumtemperatur und 14 °C bei 22 °C Raumtemperatur).
Nach SIA 2024 besteht eine Warmwasserbedarf von 50 l/(d P).
Wahl Wärmepumpe
Die Wärmepumpe wird so dimensioniert, dass sie den Warmwasser und
Heizungsbedarf meistens auch bei eingeschränkter Betriebszeit zur Verfügung
stellen kann. Andererseits soll sie nicht überdimensioniert sein. Eine Wärmepumpe
mit einer Leistung in der Grössenordnung von 10kW (A2/W35) wird dieser
Aufgabe gewachsen sein. Da Polysun noch keine regelbaren Wärmepumpen
handhaben kann, werden solche nicht in Betracht gezogen. Eine gute Marktübersicht
effizienter Wärmepumpen ist auf www.topten.ch zu finden. Andererseits
helfen die Prüfresultate des Wärmepumpenzentrums Buchs [WPZ Prüfresultate
Luft-Wasser-Wärmepumpen 2013]. Es wurden die Luft-Wasser-Wärmepumpen
von drei Herstellern genauer analysiert. Die Auswahlkriterien waren: Leistung,
Kältemittel R410, Scroll Verdichter, gute Arbeitszahlen. Details zum Innenleben
und zu Abtaukonzepten sind meist nicht öffentlich. Die Auswahl erfolgte zwischen
den Wärmepumpen Belaria von Hoval, LW70M von Alpha Inno Tec und HP10L
von Heliotherm Wärmepumpentechnik. Aufgrund seiner über weite Bereiche guten
Leistungsdaten und Arbeitszahl, fällt die Wahl auf die Heliotherm HP10L. Die
folgende Tabelle zeigt die Leistungsdaten der Wärmepumpe:
Erste Simulationen zeigen, dass die Gewählte Wärmepumpe die Aufgabe erfüllen
kann.
3.3. Vergleich und Wahl der Anlagenhydraulik
Im folgenden werden verschiedene Anlagenhydrauliken in Bezug auf die Effizienz
miteinander verglichen. Es soll die effizienzteste Anlagenkonfiguration für den
gegebenen Einsatzzweck gefunden werden. Dazu werden bestehende
Schaltungsvarianten in Polysun verwendet. Für die Vergleichbarkeit werden diese
mit weitgehend einheitlichen Anlagekomponenten versehen. Für alle Anlagen gilt:
Klimaumgebung Bern, Bodenheizung mit 35/30 °C, Keine Zusatzheizungen,
Warmwasserboiler mit 300 l.
Für eine aussagekräftige und nachvollziehbare Simulation werden Systeme mit
getrennten Speichern für Heizung und Warmwasser betrachtet. In Polysun sind
mehrere typische Hydraulikschemas hinterlegt. Vier davon werden einer
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genaueren Prüfung unterzogen. Die für den gegebenen Anwendungsfall
effizienteste Variante wird weiterverwendet.
Polysun STASCH 2 Energieaufn. Energieabg.
WP direkt auf Bodenheizung + Warmwasser,
gesteuert über Umwälzpumpen
JAZ Sys
3'428 kWh 11'726 kWh
3.42
Abbildung 13: Anlageschema STASCH 2
Polysun 16f Energieaufn. Energieabg.
WP direkt auf Bodenheizung + Warmwasser
über 3 Weg Ventil gesteuert
JAZ Sys
3'307 kWh 11'426 kWh
3.46
Abbildung 14: Anlageschema 16f
Polysun 16b Energieaufn. Energieabg.
WP über Pufferspeicher auf Bodenheizung +
Warmwasser gesteuert über 3 Weg Ventil
JAZ Sys
3’328 11'587 kWh
3.48
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Abbildung 15: Anlageschema 16b
Polysun STASCH 6 Energieaufn. Energieabg.
WP über Pufferspeicher auf Bodenheizung +
Warmwasser gesteuert über Umwälzpumpen
JAZ Sys
3'478 kWh 11’404
3.27
Abbildung 16: Anlageschema STASCH 6
Das System mit Anlageschema 16f ohne Pufferspeicher im Heizkreis und mit 3
Weg Ventilen zeigt in der Simulation die geringste Energieaufnahme der vier
Anlagen. Dies ist zu erklären durch tiefe Vorlauftemperaturen aus der
Wärmepumpe und teilweise Vermeidung von Speicherverlusten.
3.4. Prüfung der Versorgung im Teilzeitbetrieb
Für das Anlageschema 16f und die gewählte Wärmepumpe wird geprüft ob die
Niedertarif Zeit ausreicht um sowohl Warmwasser, wie auch Heizwärme über das
ganze Jahr zur Verfügung zu stellen. Dazu werden in der Heizungssteuerung die
Hochtarif Zeiten gesperrt. Aufgrund der Simulation mit Polysun stellt sich bei 8
Stunden Betrieb ein Energiedefizit von 4.5% ein, Bei 9 Stunden 2.3% und bei 10
Stunden 1.2% bei 11 Stunden 0.8%.
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Abbildung 17: Einstellmöglichkeiten Zeitschaltuhr
Der Test zeigt, dass die gewählte Wärmepumpe auch bei Einschränkung der
Betriebszeit die Versorgung des Gebäudes sicherstellen kann.
3.5. Wärmespeicherung und Auskühlverhalten in Heizpausen
Aus dem Verlauf der Gebäudetemperatur in der Simulation wird ersichtlich, dass
die Gebäudemasse genug gross ist, um die Temperatur ausserhalb der
Wärmepumpen Betriebszeiten stabil zu halten. Die Anlage 16f soll somit für die
weitere Betriebsoptimierung verwendet werden.
Abbildung 18: Temperaturverlauf Gebäude mit und ohne solare Gewinne
3.6. Trennung von Heizkreislauf und Warmwasser Aufbereitung
Mit den in Polysun verwendeten Kombireglern ist es relativ schwierig, einzelne
Anlagekomponenten zu optimieren. Um nachvollziehbare Resultate zu erhalten,
werden die Schaltungen für Warmwasser und Heizbetrieb für die Analysen in zwei
Anlageschemen separiert und getrennt untersucht. Um ein realistisches
Gesamtsystem zu erhalten, werden über die Zeitsteuerung Nutzungsfenster für
Warmwasser-Aufbereitung und Heizungsbetrieb definiert. Somit kann die
Komplettanlage realistisch getrennt simuliert werden. Die folgenden zwei
Graphiken zeigen die separierten Anlagen.
Abbildung 19: Anlageschema Gebäudeheizung
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Abbildung 20: Anlageschema Warmwassererzeugung
3.7. Optimierungsstrategien
Analyse Verlauf der Tagestemperatur:
Die Wetterdaten für Bern aus Polysun wurden mit Hilfe von Zusammenzügen und
Berechnungen in Excel analysiert. Es wurden dabei über die Betrachtungsperiode
gemittelte Tagesstundenwerte betrachtet. Die folgende Abbildung zeigt die
saisonal gemittelten Tagestemperaturverläufe für Bern.
Abbildung 21: Tagesverlauf Aussentemperatur Referenzstandort Bern
Optimierung genutzte Lufttemperatur
Es zeigt sich, dass die Spreizung zwischen Tag und Nacht im Frühjahr und
Sommer grösser ist als im Herbst und Winter. Die Minimal- und die Maximaltemperatur
unterscheiden sich für diesen Standort im Sommer um 8.2°K, im
Winter nur um 4.6°K. Erschwerend kommt hinzu, dass aufgrund der langen
Laufzeiten der Wärmepumpe im Winter die effektiv nutzbare durchschnittliche
Temperaturoptimierung geschmälert wird. Auch im kostenoptimierten Betrieb wird
die Wärmepumpe zum Beginn der Niedertarifzeit (in unserer Betrachtung um
21:00) und somit oberhalb der minimalen Nachttemperatur betrieben. Für die
Warmwasseraufbereitung im Sommer mit kürzerer Betriebszeit pro Tag ergibt sich
eine Optimierungsmöglichkeit der Quellentemperatur um ca. 3.7 °K. bei einem
unteren Quelltemperaturniveau von ca. 20 °C
Für den Heiz- und Warmwasserbetrieb im Winter mit beispielsweise 8
Betriebsstunden ergibt sich eine Optimierungsmöglichkeit von 2.8°K bei einem
unteren Quelltemperaturniveau von 2.4 °C. Da nicht immer Heizbedarf für 8h
besteht, sind diese Werte immer noch leicht höher als der Durchschnitt in der
Realität.
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Abschätzung des Optimierungsfaktors
In Kapitel 2.2 wurde die Arbeitszahl auf der Basis der Carnot Beziehungen
behandelt. Auf dieser Basis wird jetzt die maximal mögliche Optimierung der
Arbeitszahl aufgrund der Temperaturerhöhung berechnet.
Die Carnot Arbeitszahl berechnet sich nach: COP Carnot = ε WPCarnot = T1/ (T1-T2)
T1 = Temperatur Heizkreis, T2 = Umgebungstemperatur
Zusätzlich muss der Gütegrad des Systems mitberücksichtigt werden.
COP = ε WP = ε WPCarnot * η WP η WP = Gütegrad der Wärmepumpe
Im nächsten Schritt soll der maximal mögliche Optimierungsfaktor durch die
Temperaturerhöhung bestimmt werden.
COP oben / COP unten = (ε WPCarnotOben * η WP ) / (ε WPCarnotUnten * η WP )
Es wird davon ausgegangen, dass der Gütegrad bei diesen kleinen
Temperaturunterschieden konstant bleibt. Ebenso wird eine gleich bleibende
Vorlauftemperatur des Heizkreises zu Grunde gelegt (dies wird später für den
konkreten Fall der nicht regelbaren Wärmepumpe teilweise widerlegt). Durch
einsetzen der Carnot Grundformel und Kürzen ergibt sich folgende
Berechnungsregel, für den maximalen Optimierungsfaktor.
Optimierungsfaktor = (T1 – T2 unten ) / (T1-T2 oben )
Für den Standort Bern und Betrieb für Heizung (8h Mittel) und Warmwasser
separat ergibt dies maximale Optimierungspotentiale wie folgt:
Kostenoptimierter Betrieb zu Niedertarifzeiten
In der Praxis wird der Heizbetrieb und die Warmwassererzeugung in der kostenoptimierten
Variante mit Beginn des Niedertarifs gestartet. Aus Sicht der Quellentemperatur
ist dieser Zeitpunkt innerhalb der Niedertarifzeiten optimal, da Anfangs
mit den noch höheren Aussentemperaturen gearbeitet wird. Eine einfache Zeitschaltung
kann zur Bestimmung der Betriebszeiten eingesetzt werden. Für die
Analyse der Niedertarifoptimierung wird eine Freischaltung für Warmwasser und
Heizung zusammen von 21:00 bis 6:00 eingestellt. Dies ergibt maximale 9 h
Betriebszeit. Um den Rest in Zeiten hohen Bedarfs zu decken, werden noch
einzelne Stunden nach 6:00 dazugegeben.
Wie in Kapitel 3.6 beschrieben werden die Betriebszeiten zu Analysezwecken
zwischen Heizung und Warmwasser aufgeteilt. Folgende Betriebszeiten werden
gewählt:
- Heizung 22:00 - 5:00 (Hauptheizung) 6-8 (Nachheizung)
(Polysun Schaltuhr, 23....5 und 7..9)
- Warmwasser 21:00 - 22:00 (Hauptladung) und 5:00 – 6:00 (Zusatzladung)
(Polysun Schaltuhr 22 und 6)
Falls in einem der Szenarien der Energiebedarf nicht grösstenteils gedeckt ist,
werden weitere Stunden gegen hinten, in Extremfällen auch vorne angehängt.
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Abbildung 22: Einstellung Schaltuhr für Heiz und Warmwasser Betrieb
Optimierung durch günstigere Wahl der Betriebszeiten
Aus der Betrachtung des Temperaturverlaufs kann gelesen werden, dass um ca.
15:00 typischerweise das Maximum der Tagestemperaturen erreicht wird. Einfach
betrachtet könnte somit mit Schaltzeiten von 11:00 bis 19:00 die optimalen
Aussentemperaturen genutzt werden. Eine Betriebszeit von acht Stunden ist nur in
Extremsituationen notwendig. Typischerweise sind die Betriebszeiten kürzer. Eine
Wahl der Freigabezeiten ab 13:00 optimiert das Resultat weiter. Die Betriebszeit
wird wie folgt aufgeteilt:
- Heizung 13:00 -16:00 und 17:00 bis 23:00
(Polysun Schaltuhr 14 ...16 und 18...23)
- Warmwasser 16:00 -17:00 und 23:00-24:00
(Polysun Schaltuhr 17 und 24)
Falls in einem der Szenarien der Energiebedarf nicht grösstenteils gedeckt ist,
werden weitere Stunden gegen hinten angehängt.
Abbildung 23: Einstellung Schaltuhr für Heiz und Warmwasser Betrieb
3.8. Simulation der Optimierung für den Heizbedarf
Als Basis für die Optimierungssimulation für den Heizbedarf wird das separierte
Anlagenschema gemäss Graphik unten verwendet. Es werden nacheinander die
zwei Szenarien „Niedertarifoptimiert“ und „Energieoptimiert“ geprüft. In der
folgenden Tabelle sind die Resultate der Simulation aufgelistet. Zusätzlich werden
die verschiedenen Jahresarbeitszahlen sowie die prozentuale Optimierung
berechnet
.
Abbildung 24: Anlageschema Gebäudeheizung
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 22/30

Bei optimiertem Betrieb zu Niedertarif Zeiten ergibt sich mit den gewählten
Komponenten bereits eine ansehnliche JAZsys von 4.26. Diese kann durch die
Erhöhung der Quellentemperatur in der Variante „Energieoptimiert“ auf 4.42
gesteigert werden. Die JAZsys erhöht sich so um 3.7 %.
Analyse Verhalten Quellentemperatur, Anlagenleistung, Vorlauftemperatur
Die Analyse zeigt, dass die Optimierung den theoretisch angenäherten Wert nicht
erreichen kann. Grund dafür ist ein teilweise selbstkompensierender Effekt im
Zusammenhang mit den verschiedenen Temperaturniveaus. Da die abgegebene
Leistung der Wärmepumpe bei höheren Quellentemperaturen ansteigt, steigt bei
gleich bleibender Last auch die Vorlauftemperatur des Heizkreises. Diese erhöhte
Temperatur bewirkt, dass ein Teil der Optimierung der JAZ wieder zunichte
gemacht wird. Die Detailanalyse dieses Effektes ist in der untenstehenden Grafik
visualisiert. Eine Änderung der Aussentemperatur um +14° bewirkt aufgrund der
höheren Wärmepumpen-Leistung eine Erhöhung der Vorlauftemperatur um 6.5°.
In der Praxis kann somit in Anlagen ohne Regelung der Wärmepumpe nur ein Teil
des Optimierungspotentials genutzt werden.
Abbildung 25: Verhältnisse Vorlauftemperatur zur Aussentemperatur
Einsparung durch verminderte Energieabgabe an Nutzer
Ein weiterer Effekt aus der Analyse der Verbräuche zeigt, dass sich der
Energiebedarf (Energie an Nutzer) des Systems im Szenario energieoptimiert
ebenfalls um ca. 1.7% verringert hat. Diese Verringerung ist auf eine Verschiebung
der Heizungsfreigabe auf die Zeit nach dem Mittag zurückzuführen. Der Einfluss
der Sonnenenergie durch Fenster macht sich hier bemerkbar. Da der Heizbedarf
erst nach Nutzung der solaren Einstrahlung bestimmt wird, ist dieser automatisch
energieoptimiert. Ein Nachteil davon ist der längere Zeitraum, der bei bedecktem
Wetter ohne Energiezufluss überbrückt werden muss. Die Zeiten mit etwas
geringerer Raumtemperatur werden so etwas erhöht. Der Effekt der verminderten
Energieabgabe an den Nutzer schlägt sich im Jahresverbrauch und in den
Jahreskosten nieder, nicht aber in der JAZ des Systems.
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Abbildung 26: Analyse Häufigkeit Stundentemperaturen Bern
Die Analyse der Stundentemperaturen zeigt, dass in beiden Varianten die anfangs
definierten Komfortbedingungen eingehalten werden können. In der
energieoptimierten Variante fallen die Temperaturen etwas öfter leicht unter 21°.
Andererseits wird ein Überheizen verhindert. In beiden Szenarien treten vereinzelt
Stundenwerte gegen 20 Grad auf. Diese sind durch die eingeschränkten
Betriebszeiten zu begründen. Eine intelligente Steuerung kann in Mangelzeiten die
Betriebszeit verlängern, wodurch Temperaturen unter 20.5° ganz ausgeschlossen
werden können.
3.9. Simulation der Optimierung für den Warmwasserbedarf
Als Basis für die Optimierungssimulation für den Warmwasserbedarf wird das
separierte Anlagenschema gemäss Graphik unten verwendet. Es werden
nacheinander die zwei Szenarien „Niedertarifoptimiert“ und „Energieoptimiert“
geprüft. In der folgenden Tabelle sind die Resultate der Simulation aufgelistet.
Abbildung 27: Anlageschema Gebäudeheizung
Zum Vergleich mit anderen Methoden zur Warmwassererzeugung wird die JAZerz
betrachtet. Eine JAZerz als Arbeitszahl des Erzeugers von 3.4 ist für eine Luft-
Wasser-Wärmepumpe im Bereich der Warmwassererzeugung ein sehr guter Wert.
Immerhin ist durch die Verschiebung der Betriebszeiten eine Optimierung der JAZ
im Bereich von 4.2 bis 5.3 % erfolgt. Auch bei der Warmwasser-Erzeugung zeigt
sich, dass die theoretisch angenäherten Optimierungswerte nicht erreicht werden
können. Die Begründung dazu ist die erhöhte Leistung der Wärmepumpe und
damit höhere Vorlauftemperaturen in die Wärmetauscher.
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3.10. Zusammenzug und Gesamtanalyse
Zur Analyse des Gesamtsystems werden die oben betrachteten Daten zu einem
Gesamtsystem zusammengeführt. Da die Teilsysteme zeitlich separiert betrieben
wurden, ergibt sich so eine repräsentative Gesamtanalyse.
Die JAZsys des Gesamtsystems konnte durch die Optimierung von 3.60 auf 3.75
gesteigert werden. Dies entspricht einer Optimierung um 4.1% gegenüber der
stromkostenoptimierten Variante. Aufgrund des leicht verminderten Wärmebedarfs
wurde die Energieaufnahme des Gesamtsystems sogar um 5.1% verringert.
3.11. Ganzjahresbetrachtung Effizienz und Kosten
Der Vergleich der Jahresenergiekosten mittels spezifischer Tarifmodelle kann nicht
in Polysun berechnet werden. Die Analyse der Energiekosten erfolgt in Excel. Als
Basis werden die Zeitreihen der Energieaufnahme mit stündlicher Auflösung
verwendet. Zur Zuteilung der Energiewerte auf Tarifzeiten werden die durchnummerierten
Jahresstunden von Polysun in Tage und Tagesstunden umgerechnet.
Die so maskierten Einzeldaten werden zu Tarifsummen aufaddiert und mit
den entsprechenden Preisen verrechnet. Die folgende Tabelle zeigt die
Simulations-und Berechnungsresultate.
Die effektiv erreichte Energieoptimierung des Gesamtsystems beträgt im
vorliegenden Fall ca. 5.1%. Dagegen stehen Mehrkosten in der Höhe von 33%.
Die Energieeinsparungen sind in den Mehrkosten bereits abgezogen.
In heute üblichen Tarifsystemen kann die energieoptimierte Betriebsart nicht durch
wirtschaftliche Kriterien begründet werden.
3.12. Anwendbarkeit der Optimierung in anderer Klimasituation
Temperaturverläufe und Optimierung für Klimazone Zermatt
Zermatt liegt in einer typischen Höhenlage mit wenig Nebel und tiefen
Wintertemperaturen. Der Einsatz einer Luft-Wasser-Wärmepumpe kommt hier an
seine Grenzen. Trotzdem soll eine Simulation zeigen, ob auch hier eine
Optimierung möglich ist. Es wird das gleiche Heizsystem wie im Szenario Bern
eingesetzt. Aufgrund des höheren Energieverbrauchs wird mit verlängerten
Betriebszeiten gearbeitet. In den folgenden Graphiken werden die gemittelten
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saisonalen Stundentemperaturen für den Standort Zermatt dargestellt. Zudem
werden die Resultate der Simulation zusammengefasst und analysiert.
Abbildung 28: Analyse Wetterdaten Zermatt
Abbildung 29: Analyse Häufigkeit Stundentemperaturen Zermatt
Die Analyse der Stundentemperaturen für Zermatt zeigt, dass auch bei extremeren
klimatischen Bedingungen die definierten Komfortbedingungen eingehalten
werden können. Auch hier wird ein Überheizen verhindert. Durch eine situative
Verlängerung der Betriebszeit in Mangelzeiten können die Temperaturen nahe
20°C bei Bedarf in beiden Fällen erhöht werden.
Wie erwartet sind die Optimierungen aufgrund der tieferen durchschnittlichen
Temperaturen kleiner ausgefallen. Zudem wird das Optimierungspotential des
Heizbetriebs aufgrund der längeren Laufzeiten automatisch geschmälert.
Überraschend ist, dass im energieoptimierten Heizbetrieb für den Standort Zermatt
immer noch eine JAZ von 4.0 resultiert. Die JAZerz für die Warmwassererzeugung
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 26/30

ist naturgemäss ebenfalls tiefer als in Bern. Interessant hier ist das höhere
Optimierungspotential im Vergleich mit Bern. Dies lässt sich auf die nebelfreie
Lage und die sehr tiefen Nachttemperaturen am Standort begründen. Die JAZsys
von 3.47 für das Gesamtsystem ist für diesen Standort ein respektabler Wert.
Für die gewählte Wärmepumpe sind die tiefen Temperaturen an diesem Standort
gemäss Hersteller kein Problem für die Anlage. Bei entsprechender Auslegung ist
der Betrieb gewährleistet.
Temperaturverläufe und theoretische Optimierung für Klimazone Lugano
Lugano mit seinem eher mediterranen Klima zeichnet sich durch hohe
Sommertemperaturen und hohe solare Gewinne aus. Aufgrund der hohen
Temperaturen kommt der Einsatz einer gewöhnlichen Luft-Wasser-Wärmepumpe
an seine Grenzen. Trotzdem soll eine Simulation zeigen welche Optimierungspotentiale
hier bestehen. Es wird das gleiche Heizsystem wie im Szenario Bern
eingesetzt. In den folgenden Graphiken werden die gemittelten saisonalen
Stundentemperaturen ermittelt. Zudem werden die Resultate der Simulation
zusammengefasst und analysiert.
Abbildung 30: Analyse Wetterdaten Lugano
Abbildung 31: Analyse Häufigkeit Stundentemperaturen Gebäude Lugano
Die Analyse der Stundentemperaturen im Gebäude für den Standort Lugano zeigt,
dass die Komfortbedingungen eingehalten werden können. Auch hier wird ein
Überheizen verhindert.
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 27/30

Für den Standort Lugano ist das Optimierungspotential in allen Bereichen grösser
als in Bern. Dies ist auf die deutlich höheren Tagestemperaturen aufgrund der
vielen Sonnenstunden zurückzuführen. Gleichzeitig ist die Nachtauskühlung bei
klarem Himmel stärker als in Bern und die Betriebszeiten der Wärmepumpe sind
durchschnittlich kürzer.
Grenzen des Wärmepumpenbetriebs
Die gewählte Wärmepumpe wird Aussentemperaturen bis zu 40°C grundsätzlich
problemlos meistern. Die Verdampfertemperatur wird aber ab ca. 20°C Aussentemperatur
durch Drosseln der Luftzufuhr künstlich tief gehalten. Eine
Verschiebung des Betriebs nach Zeiten mit Temperaturen über 20°C ist möglich,
bringt aber keine Optimierung in der JAZ. Um diese unnütze Optimierung in der
Realität zu umgehen, muss die Anlage mit einer intelligenten Steuerung betrieben
werden. Eine reine Zeitschaltuhr führt nicht zu optimalen Resultaten.
Aufgrund der Vorgehensweise zur Bestimmung von Arbeitszahlen in Polysun [BFE
Marti, Witzig, Huber, Ochs 2009] ist davon auszugehen, dass Polysun bei Quellentemperaturen
über 20 °C zu hohe Arbeitszahlen hinterlegt. Im oberen Temperaturbereich
sind keine Stützstellen für eine korrekte Interpolation mehr vorhanden. Die
Arbeitszahlen müssten in diesen Fällen teilweise etwas zu hoch ausgefallen sein.
4. Fazit
Die Analysen zeigen, dass durch eine Verschiebung der Betriebszeit von Luft-
Wasser-Wärmepumpen von tiefen Nachttemperaturen zu wärmeren
Tagestemperaturen, Energie in der Grössenordnung von einigen Prozent
eingespart werden kann. Für einen durchschnittlichen Standort wie Bern beträgt
die Einsparung in der geprüften Konfiguration 5%. Die energieoptimierte Variante
zeigt trotz Energieeinsparungen, Mehrkosten von 33%. Der Betrieb ist in dieser
einfachen Art der Energieoptimierung, nicht durch Wirtschaftlichkeit begründbar.
Die Komfortanforderungen können in allen untersuchten Fällen eingehalten
werden.
Eine weitere Erkenntnis aus der Arbeit ist, dass die Effizienz der Wärmepumpe oft
durch überhöhte Vorlauftemperaturen leidet. Ein Einsatz von regelbaren
Wärmepumpen kann hier eine weitere Optimierung bringen. Interessant ist auch,
dass mit effizienten Luft-Wasser-Wärmepumpen für den Heizbetrieb in modernen
Gebäuden, Jahresarbeitszahlen über vier erreicht werden.
Die Möglichkeiten, welche die Simulationssoftware Polysun bietet, kommen bei
dieser Art der Betriebsoptimierung von Wärmepumpenanlagen an ihre Grenzen.
Die Funktionalität der Regler ist begrenzt und die hinterlegten Steuerungs-
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 28/30

algorithmen sind schwierig nachzuvollziehen. Eine aufschlussreiche
Dokumentation der Regler durch den Hersteller wäre hier sicher sinnvoll. Mit
Steuerungen, welche für diese Aufgabenstellung optimiert sind, könnte
insbesondere die Wirtschaftlichkeit der Energieoptimierung nochmals deutlich
verbessert werden.
5. Ausblick weitere Optimierungen
Die vorliegende Arbeit zeigt ein gewisses Optimierungspotential mittels Verlegen
der Betriebszeiten von Luft-Wasser-Wärmepumpen in wärmere Tagesstunden. Die
Wirtschaftlichkeit ist aber vorerst nicht gegeben. Unten sind zwei mögliche
Anschlussarbeiten aufgeführt, mit dem Ziel, die Resultate einer Optimierung in
energetischer und wirtschaftlicher Hinsicht weiter zu verbessern. Die Autoren
dieses Berichts sind gerne bereit, ihre Erfahrungen sowie die zur Analyse
benützten Excel Tools einem Nachfolgeteam weiterzugeben.
Anschlussarbeit energetisch/ökonomische Optimierung
In einer Anschlussarbeit könnte eine weitergehende energetische und
ökonomische Optimierung der Betriebsparameter in Betracht gezogen werden.
Mittels Wetterprognose mit Temperatur und Globalstrahlung kann der
Heizwärmebedarf im Voraus (ausserhalb von Polysun, z.B in Excel) bestimmt
werden. Gleichzeitig können die optimalen Betriebszeiten des Wärmeerzeugers
unter Berücksichtigung der Wetterdaten, der Tarifinformationen und der Komfortbedingungen
im Voraus berechnet werden. Mittels Betriebszeiten File können die
Auswirkungen der neuen Steuerung dann in Polysun simuliert werden. Unter
Berücksichtigung der Energieoptimierung und der Stromkosten kann so
voraussichtlich ein deutlich besseres Kosten/Nutzen-Verhältnis realisiert werden.
Mehrkosten für die Betriebsenergie werden in dieser Betriebsweise nur dann
generiert, wenn ein relevanter energetischer Nutzen besteht.
Anschlussarbeit geregelte Wärmepumpe
Die Analysen zeigen, dass mit der Verwendung von regelbaren Wärmepumpen die
Optimierungspotentiale für viele der betrachteten Anwendungsfälle deutlich
grösser wären. Sobald Polysun regelbare Wärmepumpen simulieren kann, könnte
eine Optimierung des Wärmepumpen-Betriebs erneut untersucht werden.
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 29/30

6. Quellenverzeichnis
[BFE, Bertsch Ehrbar, Hubacher 2002] BFE, Bertsch, Ehrbar, Hubacher,
Verbesserung des Abtauens bei luftbeaufschlagten Verdampfern, Phase 2, BFE,
2002 Schweiz
[BFE, Ehrbar, Bertsch, Schwendener 2005] Ehrbar, Bertsch, Schwendener,
Hubacher, Bernal, Verbesserung des Abtauens bei luftbeaufschlagten
Verdampfern, Phase 2, BFE, 2005
[BFE Marti, Witzig, Huber, Ochs 2009] Marti, Witzig, Huber, Ochs Simulation von
Wärmepumpen-Systemen in Polysun 4, BFE, 2009 CH
[WPZ Prüfresultate Luft-Wasser-Wärmepumpen 2013] WPZ, Prüfresultate
Luft/Wasser-Wärmepumpen basierend auf der EN 14511:2011, WPZ, 2013
[Stadt Zürich, Erhöhung Quellentemperatur WP 2011] Stadt Zürich, Schlussbericht
Erhöhung der Quellentemperatur von Wärmepumpen, Stadt Zürich, 2011
[Zürcher 2010] Zürcher Christoph und Frank Thomas, Bauphysik, Vdf
Hochschulverlag, 2010, CH
[SIA 381/3] SIA, Heizgradtage der Schweiz, CH
[SIA 382/1] SIA Lüftungs- und Klimaanlagen-Allgemeine Grundlagen und
Anforderungen, CH
[SIA 384.1] Heizungsanlagen in Gebäuden, CH
[SIA 2024] Standardnutzungbedingungen für die Energie und Gebäudetechnik, CH
[SIA 2028] Klimadaten, CH
[SIA 180] Wärme- und Feuchteschutz im Hochbau, CH
Internet:
www.waermepumpe.ch/fe/berichte.html
www.topten.ch
www.westfalen-ag.de
www.aermec.it
http://www.bfe.admin.ch/themen/00490/00502/05743/index.html?lang=de
http://www.suntrol-portal.com
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 30/30