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Energetische Betriebsoptimierung und Regelung<br />
von Luft-Wasser-Wärmepumpen<br />
Zertifikatsarbeit CAS Energieeffizienz 2013<br />
Von Thomas Lasikowski, Stefan Brägger<br />
6. Mai 2013<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF 13, Institut Energie am Bau 1/30
Autor/innen<br />
Thomas Lasikowski<br />
MSc Ingegnere ambientale, Dipl.Ing. Reg A<br />
Casa Gioia, 6963 Cureggia<br />
IFEC Consulenze SA , Casella postale 505, 6802 Rivera-Monteceneri<br />
thomas.lasikowski@ifec.ch<br />
Stefan Brägger<br />
Dipl. El. Ing HTL<br />
Espelstrasse 45, 8308 Illnau<br />
Stadtwerk Winterthur, Untere Schöntalstrasse 12, 8406 Winterthur<br />
stefan.braegger@win.ch<br />
Der vorliegende Bericht wurde von den Studierenden des CAS Energieeffizienz im Rahmen einer<br />
Zertifikatsarbeit erarbeitet.<br />
Es muss an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass die Arbeit nicht im Rahmen eines<br />
Auftragsverhältnisses erstellt wurde.<br />
Weder die Autor/innen noch die <strong>Fachhochschule</strong> <strong>Nordwestschweiz</strong> können deshalb für Aktivitäten auf der<br />
Basis dieser Studierendenarbeit planerische Haftung übernehmen.<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 2/30
Zusammenfassung<br />
In der vorliegenden Arbeit wird der optimierte Betrieb von Luft-Wasser-Wärmepumpen<br />
untersucht. Ein kostenoptimierter Betrieb zu Strom Niedertarifzeiten wird<br />
mit einem energieoptimierten Betrieb zu Zeiten mit hohen Quellentemperaturen<br />
verglichen. Es werden sowohl der Energieverbrauch, die Energiekosten, die<br />
Anlageneffizienz als auch der Nutzerkomfort berücksichtigt.<br />
Nach theoretischen Betrachtungen der Zusammenhänge und Einflussfaktoren<br />
werden mittels Polysun Wärmepumpensysteme realitätsnah simuliert. Polysun<br />
greift dabei auf Klimadaten der verschiedenen Standorte zu, verwendet die<br />
Prüfdaten von realen Wärmepumpen und berechnet das Verhalten von konkreten<br />
Gebäuden mit all ihren Eigenschaften. Die Simulation erfolgt für die drei Standorte<br />
Bern, Zermatt und Lugano. Der Betrieb von Warmwassererzeugung und Heizung<br />
wird zur Erhöhung der Transparenz separiert analysiert. Es werden keine<br />
regelbaren Wärmepumpen eingesetzt, da diese in Polysun noch nicht unterstützt<br />
werden.<br />
Die Analysen zeigen, dass durch eine Verschiebung der Betriebszeit von Luft-<br />
Wasser-Wärmepumpen Energie in der Grössenordnung von einigen Prozent<br />
eingespart werden kann. Für einen durchschnittlichen Standort wie Bern beträgt<br />
die Einsparung in der geprüften Konfiguration 5%. Die Jahresarbeitszahlen<br />
erhöhen sich dabei für den Warmwasserbetrieb um 5% und für den<br />
Heizungsbetrieb um knapp 4%. Die Komfortbedingungen können für alle<br />
Betriebsfälle eingehalten werden. Am kostengünstigsten ist nach wie vor der<br />
Betrieb zu Niedertarifzeiten. Die energieoptimierte Variante zeigt trotz<br />
Energieeinsparungen, Mehrkosten von 33%. Der energieoptimierte Betrieb ist mit<br />
den in der Arbeit verwendeten einfachen Steuerungen nach wirtschaftlichen<br />
Gesichtspunkten nicht begründbar. Die Verhältnisse sind an den Standorten<br />
Zermatt und Lugano bei der Warmwassererzeugung ähnlich. Bei der Heizung<br />
gehen die Werte deutlich auseinander. Während in Lugano eine Einsparung bis<br />
10 % berechnet wurde, ist diese in Zermatt gerade mal 3%.<br />
Die Analysen zeigen auch, dass durch den Einsatz von regelbaren Wärmepumpen<br />
und intelligenten Steuerungen die Optimierungspotentiale deutlich besser<br />
ausgenutzt werden könnten.<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 3/30
Inhaltsverzeichnis<br />
1. Einführung ..................................................................................................... 5<br />
2. Zusammenhänge und Einflussgrössen ........................................................ 5<br />
2.1. Funktion Luft-Wasser-Wärmepumpe ................................................... 5<br />
2.2. Kenngrössen zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen ....... 7<br />
2.3. Effizienzminderung durch Vereisungs- und Abtauungsvorgänge ........ 8<br />
2.4. Einsatzgrenzen von Luft-Wasser-Wärmepumpen ............................. 10<br />
2.5. Leistungskurve versus Heizungsbedarf ............................................. 10<br />
2.6. Stromtarifmodelle und Kostenoptimierung ......................................... 12<br />
2.7. Einfluss Betriebszeiten auf die Leistungsauslegung .......................... 12<br />
2.8. Zwischenspeicher ............................................................................... 12<br />
2.9. Nutzung der Wärmekapazität der Gebäudemasse ............................ 13<br />
2.10. Wärmespeicherung und Auskühlverhalten in Heizpausen ................ 13<br />
2.11. Vergleich Wärmeabgabesysteme ...................................................... 13<br />
2.12. Komfortbedingungen .......................................................................... 14<br />
3. Simulation, Optimierung und Analyse ........................................................ 14<br />
3.1. Grundlagen und Eigenheiten Polysun Simulation .............................. 14<br />
3.2. Beschreibung Referenzszenario ........................................................ 15<br />
3.3. Vergleich und Wahl der Anlagenhydraulik ......................................... 16<br />
3.4. Prüfung der Versorgung im Teilzeitbetrieb ......................................... 18<br />
3.5. Wärmespeicherung und Auskühlverhalten in Heizpausen ................ 19<br />
3.6. Trennung von Heizkreislauf und Warmwasser Aufbereitung ............. 19<br />
3.7. Optimierungsstrategien ...................................................................... 20<br />
3.8. Simulation der Optimierung für den Heizbedarf ................................. 22<br />
3.9. Simulation der Optimierung für den Warmwasserbedarf ................... 24<br />
3.10. Zusammenzug und Gesamtanalyse ................................................... 25<br />
3.11. Ganzjahresbetrachtung Effizienz und Kosten .................................... 25<br />
3.12. Anwendbarkeit der Optimierung in anderer Klimasituation ................ 25<br />
4. Fazit ............................................................................................................. 28<br />
5. Ausblick weitere Optimierungen ................................................................. 29<br />
6. Quellenverzeichnis ...................................................................................... 30<br />
Anhang A:<br />
Anhang B:<br />
Zeiteinstellungen in Polysun<br />
Berichte Polysun Simulationen<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 4/30
1. Einführung<br />
Ausgangslage<br />
Wärmepumpen haben in der Schweiz eine weite Verbreitung. Sie haben den<br />
Vorteil, dass sie sozusagen „Gratis-Energie“ aus der Umwelt beziehen. Dies<br />
erfolgt meist aus einer Erdwärmesonde oder aus der Umgebungsluft. In einigen<br />
Fällen wird auch Abwärme genutzt. Aufgrund der tiefen Investitionskosten werden<br />
Luft-Wasser-Wärmepumpen relativ häufig eingesetzt. Zur Kosteneinsparung im<br />
Betrieb werden Luft-Wasser-Wärmepumpen oft während der Strom-Niedertarif-<br />
Zeiten in der Nacht betrieben. Es wird dabei ein Mehrverbrauch an Energie<br />
aufgrund der tieferen Quellentemperaturen und der damit verbundenen Minderung<br />
des Wirkungsgrades (Arbeitszahl) in Kauf genommen.<br />
Ziele der Arbeit<br />
Ziel dieser Arbeit ist es, anhand einer Beispielkonfiguration den optimalen Betrieb<br />
von Luft-Wasser-Wärmepumpen mit Fokus auf energieoptimierte Betriebszeiten zu<br />
finden. Die Komfortansprüche der Gebäudenutzer sind zu berücksichtigen. Die<br />
Unterschiede in Kosten, Energieverbrauch und Anlageneffizienz sollen aufgezeigt<br />
werden. Die Berechnungen sollen für drei unterschiedliche Klimasituationen<br />
durchgeführt werden.<br />
Abgrenzung und Definitionen<br />
In der Arbeit wird von modernen, heute verfügbaren Wärmepumpen ausgegangen.<br />
Es werden keine Optimierungen in der Wärmepumpe selbst vorgenommen.<br />
Verschiedene Produkte und unterschiedliche Konfigurationen erreichen<br />
unterschiedliche Wirkungsgrade. Hauptziel der Arbeit ist es, die Optimierungspotentiale<br />
darzustellen, weniger die optimalsten Produkte zu finden. Nicht<br />
berücksichtigt werden regelbare Wärmepumpen, da diese leider in Polysun noch<br />
nicht unterstützt werden.<br />
Vorgehen<br />
Die Arbeit basiert auf einer Standard-Wärmepumpen Konfiguration, welche zu<br />
verschiedenen Zeiten betrieben wird. Die Energieabgabe erfolgt auf ein konkretes<br />
Gebäude, welches mittels Gebäudesimulation eine reale Abnahmecharakteristik<br />
aufweist. Auch die Warmwassererzeugung arbeitet gegen ein entsprechendes<br />
Abnahmeschema. Nach den theoretischen Betrachtungen über die Zusammenhänge,<br />
die Einflussgrössen und die erwarteten Optimierungspotentiale wird die<br />
Optimierung mit Polysun 6.0 simuliert und die Resultate analysiert. Basisstandort<br />
ist Bern, ein durchschnittlicher Mittelland-Standort mit winterlichen Nebelanteilen.<br />
Zusätzlich werden Simulationen für Zermatt und Lugano durchgeführt.<br />
2. Zusammenhänge und Einflussgrössen<br />
2.1. Funktion Luft-Wasser-Wärmepumpe<br />
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe ist vom Prinzip her eine Wärme-Kraft-Maschine,<br />
welche umgekehrt genutzt wird. Es wird mit Hilfe von mechanischer Antriebsenergie,<br />
Wärmeenergie von einem tiefen Temperaturniveau auf ein höheres<br />
Temperaturniveau gebracht. Mit diesem Prinzip lassen sich die riesigen, in der<br />
Umwelt auf tiefem Temperaturniveau vorhandenen Energiemengen für Heizung<br />
und Warmwasseraufbereitung nutzen. Die zugeführte Antriebsenergie ist in der<br />
Schweiz meist Strom.<br />
Neben dem Vorteil einer an sich unerschöpflichen Wärmequelle hat die Nutzung<br />
der Aussenluft im Vergleich mit anderen natürlichen Wärmequellen auch einige<br />
Nachteile:<br />
- Grösster Heizwärmebedarf bei tiefster Quellentemperatur und tiefster<br />
Leistung der Wärmepumpe<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 5/30
- Sehr grosse Schwankungen der Quellentemperatur<br />
- Wärmeübergang von Luft auf Wärmetauscher ist relativ schlecht<br />
- Probleme mit Luftfeuchtigkeit und Vereisung<br />
- Lärmemissionen<br />
- Wartungsbedarf<br />
Die typischen Komponenten einer Wärmepumpenanlage sind: Der Verdampfer,<br />
welcher die Energie aus der Aussenluft aufnimmt und dabei den Flüssiganteil im<br />
zugeführten Nassdampf verdampft. Der Verdichter, welcher das kühle Niederdruck-Gas<br />
auf ein heisses Hochdruck-Gas verdichtet. Der Kondensator, welcher<br />
das heisse Gas kondensiert und dabei Energie auf hohem Temperaturniveau an<br />
das Heizsystem abgibt und das Expansionsventil, welches die noch warme<br />
Hochdruck-Flüssigkeit in kalten Niederdruck-Nassdampf umwandelt.<br />
Abbildung 1: Illustration Wärmepumpenprozess, Bild: Westfalen AG<br />
Diese Hauptkomponenten zeigen auch die wichtigsten Optimierungspotentiale<br />
einer Wärmepumpe. Zusammengefasst sind dies:<br />
- hohe Temperaturen der Umweltwärme an den Verdampfer<br />
- hoher Wirkungsgrad des Kompressors.<br />
- tiefe Vorlauftemperaturen des Heizkreises<br />
- Optimierung oder Steuerung des Expansionsmechanismus<br />
- geeignetes Kältemittel<br />
- Abtaukonzepte<br />
Die Zusammenhänge zur Optimierung werden später im Dokument im Detail<br />
dargestellt.<br />
Kältemittel: Die Wahl des richtigen Kältemittels hat wesentlichen Einfluss auf<br />
Wirkung, Konstruktionsaufwand und Energieverbrauch einer Kälteanlage.<br />
Kältemittel sollten weder brennbar, noch giftig oder korrosiv sein. Darüber hinaus<br />
sind folgende grundsätzlichen Eigenschaften gefragt: gute Mischbarkeit mit Öl,<br />
thermische und chemische Stabilität, hohe Kälte- und Wärmeleistung bei geringem<br />
Energieaufwand, günstige Druckverhältnisse, niedrige Verdichtungsendtemperatur,<br />
gutes Preis-Leistungs-Verhältnis.<br />
Verdichter: Aus folgenden Gründen werden oft Scroll Verdichter eingesetzt:<br />
Kompakte Bauweise, günstige Herstellung, Unempfindlichkeit gegen Flüssigkeitsschläge,<br />
wenig Verschleissteile. Der Scroll Verdichter hat aber auch Nachteile:<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 6/30
Nicht geeignet für hohe Temperaturhübe, fixes Volumenverhältnis, relativ laut<br />
(2’900 min -1), relativ schmales Einsatzgebiet<br />
Hubkolbenverdichter werden wieder vermehrt eingesetzt, weil sie hohe<br />
Temperaturhübe ermöglichen. Zudem haben sie einen konstanten Liefergrad und<br />
eine hohe Effizienz.<br />
Schraubenverdichter und Turboverdichter werden nur für Wärmepumpen hoher<br />
Leistung eingesetzt.<br />
(Quelle: Folien Eicher und Pauli)<br />
2.2. Kenngrössen zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen<br />
Arbeitszahl ε bzw. COP<br />
Die Arbeitszahl ε (Epsilon) bzw. der COP-Wert (Coefficient of Performance) ist das<br />
Mass für die Effizienz einer Wärmepumpe. Sie bezeichnet das Verhältnis zwischen<br />
der abgegebenen Wärmeleistung und der aufgenommenen elektrischen Leistung.<br />
Die Arbeitszahl wird an definierten Betriebspunkten gemessen.<br />
Die Arbeitszahl ist stark abhängig von der Temperaturdifferenz der Wärmequelle<br />
zur Wärmesenke. Je tiefer die Temperaturdifferenz desto höher wird die<br />
Arbeitszahl der Wärmepumpe. Die theoretisch mögliche, maximale Arbeitszahl ist<br />
dabei gegeben durch folgende Gleichung nach Carnot. In der Formel werden<br />
absolute Temperaturen in °K eingesetzt.<br />
Die Graphik unten zeigt die theoretische Arbeitszahl nach Carnot (COP Carnot).<br />
Deutlich zu erkennen sind die hohen Arbeitszahlen bei niedrigen<br />
Temperaturspreizungen von Wärmequelle zu Wärmesenke. Bei realen Systemen<br />
muss der Gütegrad η (Eta) der Wärmepumpe mitberücksichtigt werden. Die reale<br />
Arbeitszahl folgt demnach der Gleichung ε = ε c *η (ε=COP). Der Gütegrad ist<br />
immer kleiner 1 und bewegt sich typischerweise zwischen 0.3 und 0.6. in<br />
handelsüblichen Systemen<br />
Abbildung 2: COP in Abhängigkeit vom Temperaturhub<br />
[Stadt Zürich, Erhöhung Quellentemperatur WP 2011]<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 7/30
Die Jahresarbeitszahl (JAZ)<br />
Die Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Wärmepumpe stellt das Verhältnis zwischen der<br />
abgegebenen Wärmeenergie (kWh) zur aufgenommenen elektrischen Energie<br />
(kWh) im Verlauf eines Jahres dar. Je nach Systemgrenze kommen verschiedene<br />
Definitionen zur Anwendung. Zwei davon werden in der vorliegenden Arbeit<br />
verwendet.<br />
Die JAZsys beinhaltet die gesamten Energieaufwendungen für den Antrieb der<br />
Wärmepumpe und der Umwälzpumpen. Es wird die gesamte an Heizsystem und<br />
Warmwasserverbraucher gelieferte Nutzenergie berechnet. Verluste an Speicher<br />
verschlechtern diese Jahreszahl. Die JAZsys ist gut geeignet, um verschiedene<br />
Gesamtsysteme miteinander zu vergleichen.<br />
Die JAZerz beinhaltet ebenfalls die gesamten Energieaufwendungen für den<br />
Antrieb der Wärmepumpe und der Umwälzpumpen. Zudem wird die gesamte von<br />
der Wärmepumpe abgegebene Energie berücksichtigt. Verluste in nachgeschalteten<br />
Speichern haben keinen Einfluss auf die JAZerz. Die JAZerz ist gut<br />
geeignet um verschiedene Wärmeerzeuger miteinander zu vergleichen.<br />
2.3. Effizienzminderung durch Vereisungs- und Abtauungsvorgänge<br />
Beim Betrieb von Luft-Wasser-Wärmepumpen wird Feuchtigkeit aus der<br />
Umgebungsluft am Verdampfer in Form von Wasser oder Eis abgelagert. Während<br />
die Wasserablagerung einen positiven Einfluss auf die Effizienz aufweist, ist die<br />
Eisablagerung unerwünscht. Die Eisschicht muss in regelmässigen Abständen<br />
mittels Abtauungszyklus entfernt werden. Die Eisschicht und die Abtauung<br />
vermindern so die Effizienz und die Leistungsfähigkeit des Systems. Der<br />
Abtauungsbedarf hängt von der Luftfeuchtigkeit, der Lufttemperatur, der<br />
Verdampfertemperatur, der Verdampferoberfläche sowie der Luftmenge ab.<br />
Abbildung 3: Kondensations und Vereisungsvorgänge am Verdampfer<br />
[BFE, Bertsch Ehrbar, Hubacher 2002]<br />
Erklärung: Feuchte Luft LE wird am Verdampfer abgekühlt. Sobald der<br />
Kondensationspunkt erreicht ist, wird Wasser am Verdampfer abgelagert. Bei<br />
Verdampfer-Temperaturen unter 0 °C gefriert dieses zu Eis und bleibt am<br />
Verdampfer haften.<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 8/30
Verschiedene Abtautechniken kommen zur Anwendung [BFE, Bertsch Ehrbar,<br />
Hubacher 2002]:<br />
- natürliches Abtauen (bei Umgebungstemperaturen von >0° möglich)<br />
- Heissgas-Abtauung (HG)<br />
- Prozessumkehr-Abtauung (PU)<br />
Natürliches Abtauen ist dabei die energieeffizienteste Methode. Voraussetzung<br />
dafür sind Umgebungstemperaturen über 0°C und genügend Stillstandzeit der<br />
Wärmepumpe. Neben der Wahl des Abtausystems entscheidet eine geschickte<br />
Steuerung der Abtauzyklen über die Effizienz des Systems.<br />
Abbildung 4: Häufigkeitsverteilung von Abtauvorgängen (gemessen 2005)<br />
[BFE, Ehrbar, Bertsch, Schwendener... 2005]<br />
Obige Darstellung zeigt den Bedarf an Abtauungsvorgängen in Abhängigkeit der<br />
Quellentemperatur. Bei Aussenlufttemperaturen leicht über Null Grad ist der<br />
Bedarf für Abtauungen am höchsten. Bei Temperaturen darüber und darunter sinkt<br />
der Bedarf massiv.<br />
Eine Verschiebung der Betriebszeit von Luft-Wasser-Wärmepumpen von feuchtem<br />
und kühlen Nachtklima zu wärmerem und trockenerem Tagesklima wird sich<br />
positiv auf die Arbeitszahl auswirken. Die Vorteile einer Verschiebung von leicht<br />
negativen zu leicht positiven Temperaturen können unter Umständen durch<br />
Abtauvorgänge neutralisiert werden.<br />
Die Auswirkung dieser Effekte auf die Leistungsfähigkeit eines Beispielsystems<br />
sind in folgender Leistungskurve einer Luft-Wasser-Wärmepumpe erkennbar.<br />
Abbildung 5: Leistungskurve Luft-Wasser-Wärmepumpe [Stiebel Eltron]<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 9/30
2.4. Einsatzgrenzen von Luft-Wasser-Wärmepumpen<br />
Luft-Wasser-Wärmepumpen werden für sehr breite Einsatzbereiche hergestellt.<br />
Dies bedeutet hohe Anforderungen an die Materialien und die Konstruktion. Druck<br />
und Temperatur stehen bei einer Wärmepumpe in einem sehr engen Verhältnis.<br />
Je höher die Temperaturen, desto höher ist der Druck. Die Druckverhältnisse sind<br />
andererseits von den verwendeten Kältemitteln abhängig. Nicht jedes Kältemittel<br />
ist für jeden Einsatzbereich geeignet. Verdampfer, Kompressoren und andere<br />
Komponenten sind in der Druckfestigkeit begrenzt. Wärmepumpenhersteller<br />
suchen nach dem Optimum zwischen Funktionalität, Wirtschaftlichkeit und<br />
Dauerhaftigkeit.<br />
Nach Wärmepumpen Testzentrum WPZ Buchs sind die Einsatzgrenzen bei<br />
handelsüblichen Luft-Wasser-Wärmepumpen für die Wärmequellen im Bereich<br />
von -15 °C bis +30 °C., für die Wärmesenke im Bereich von +20 °C bis +60 °C<br />
Hersteller sprechen vom Temperaturbereich der Wärmequelle von -20 °C bis<br />
+40°C und der Wärmesenke bis +65 °C. Beispiel: Heliotherm HP10L, -15 °C bis<br />
+40 °C, Stiebel Eltron WPL15, -20 °C bis +40°C, Wärmesenke +65 °C<br />
Eine genauere Betrachtung zeigt, dass heutige ungeregelte Wärmepumpen kaum<br />
über einen so weiten Bereich optimal arbeiten können. Bei hohen Temperaturen<br />
ist der resultierende hohe Druck ein Problem. Handelsübliche Wärmepumpen<br />
schützen sich mit verschiedenen Massnahmen. Die Wärmepumpe von Heliotherm<br />
zum Beispiel ermöglicht Quelltemperaturen bis 40°C, indem sie die Verdampfertemperatur<br />
bewusst tief hält (viele andere Wärmepumpen benützen die gleiche<br />
Technik). Über ca. 15-20 °C wird der Luftstrom zum Verdampfer verringert. So<br />
stellt sich eine tiefere Verdampfertemperatur ein. Dies schützt das System vor<br />
Überdruck Problemen. Hohe Vorlauftemperaturen über 20°C führen aus diesem<br />
Grund nicht mehr zu verbesserten Arbeitszahlen der Wärmepumpe. Die Funktion<br />
bis 40°C ist garantiert, was trotzdem von Vorteil ist.<br />
Die Graphik unten zeigt ein typisches Einsatzfeld einer Luft-Wasser-Wärmepumpe<br />
mit und ohne regelbarem Verdampferluftstrom.<br />
Abbildung 6: Einsatzbereich Luft-Wasser-WP [Armec Sagl]<br />
2.5. Leistungskurve versus Heizungsbedarf<br />
Ein grundlegendes Problem von Luft-Wasser-Wärmepumpen für den<br />
Heizungsbedarf sind die gegenläufigen Kennlinien von Erzeugungsleistung und<br />
Wärmebedarf. Gerade bei sehr tiefen Aussentemperaturen mit dem grössten<br />
Wärmebedarf bringt die Standard-Wärmepumpe die geringste Wärmeleistung. In<br />
der Praxis wird aus diesem Grund die Luft-Wasser-Wärmepumpe tendenziell<br />
leistungsstark dimensioniert. Bei Auslegetemperatur soll die gewünschte Leistung<br />
bei der vorgegebenen Betriebszeit erbracht werden. Dabei wird meist noch ein<br />
Leistungszuschlag eingerechnet, damit sicher immer genügend Heizwärme zur<br />
Verfügung steht.<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 10/30
Heizgrenze<br />
Abbildung 7: Leistungskurve Wärmepumpe versus Wärmebedarf [Elco Fachinfo]<br />
Die Anzahl Stunden mit sehr tiefen Temperaturen und maximalem Heizbedarf ist<br />
klein (siehe Graphik unten). Herkömmliche Luft-Wasser-Wärmepumpen sind daher<br />
für die häufigsten Betriebssituationen deutlich überdimensioniert. Die oft zu hohe<br />
Leistungsabgabe bewirkt häufige Start-Stop-Zyklen und erhöhte Vorlauftemperaturen<br />
des Heizkreises. Dies wirkt sich negativ auf die Arbeitszahl aus.<br />
Abhilfe schaffen hier geregelte Wärmepumpen, wie sie neu auch im Ein- und<br />
Mehrfamilienhaus-Bereich vereinzelt angeboten werden. Geregelte<br />
Wärmepumpen werden in der aktuellen Version von Polysun nicht unterstützt. Ein<br />
entsprechendes Projekt ist in Arbeit. Eine Optimierung mittels geregelter<br />
Wärmepumpe wird in dieser Arbeit, wie in der Einleitung erwähnt, nicht weiter<br />
untersucht.<br />
Abbildung 8: Häufigkeiten von Aussentemperaturen in Bern nach SIA 2028<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 11/30
2.6. Stromtarifmodelle und Kostenoptimierung<br />
Ein Grossteil der Schweizer Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU) arbeitet<br />
heute mit zeitbasierten Tarifmodellen. Meist sind dies Hochtarif-Niedertarif<br />
Modelle. Es bestehen die unterschiedlichsten Tarifzeitmodelle. Zudem hat jedes<br />
EVU unterschiedliche Strompreise. Zur Erhöhung der Vergleichbarkeit wird ein<br />
durchschnittliches Tarifmodell wie folgt für alle Berechnungen angewendet:<br />
Hochtarif: 18Rp./kWh 6:00 bis 21:00<br />
Niedertarif: 10Rp./kWh 21:00 bis 6:00<br />
Ausblick Entwicklung Tarifzeiten<br />
Wie die Erfahrungen aus Deutschland zeigen, werden sich die Netzverhältnisse<br />
mit Einführung grösserer Mengen an Photovoltaik Strom deutlich verändern. Die<br />
Entwicklung wird von der heutigen Stromknappheit in einigen Jahren zu einem<br />
deutlichen Stromüberschuss über Mittag führen. Es ist zu erwarten, dass zu<br />
gegebener Zeit die Stromtarifmodelle angepasst werden. Zudem ist es<br />
wahrscheinlich, dass die Lastregelung höheren Stellenwert erhält. Sperrzeiten<br />
werden sich weg vom Mittag hin zu Morgen oder Abendstunden verschieben. Die<br />
in dieser Arbeit untersuchten Szenarien werden daher in späterer Zukunft auch<br />
wirtschaftlich an Relevanz gewinnen.<br />
Abbildung 9: Beispiel Tagesverlauf Solarstrom Erzeugung [Suncontrol-portal]<br />
2.7. Einfluss Betriebszeiten auf die Leistungsauslegung<br />
Da Strom in der Nacht günstiger ist, werden Luft-Wasser-Wärmepumpen oft in der<br />
Nacht betrieben. Aufgrund der eingeschränkten Betriebszeiten muss die Anlage<br />
für diesen Betrieb nochmals deutlich leistungsstärker sein. Die tieferen<br />
Nachttemperaturen bieten zudem schlechtere Grundbedingungen für einen<br />
effizienten Betrieb der Wärmepumpe. Auch bei Quasi 24 h Betrieb muss auf die<br />
Sperrzeiten der Energieversorger geachtet werden. Es ist üblich, dass die<br />
Wärmepumpen während der Lastspitzen im Stromnetz nicht betrieben werden<br />
dürfen. Eine entsprechende Leistungsvorhaltung ist vorzusehen.<br />
2.8. Zwischenspeicher<br />
Oft werden Heizsysteme mittels Parallelspeichern im Heizkreis betrieben. Dies hat<br />
insbesondere beim Einsatz von Wärmepumpen Nachteile. Parallelspeicher werden<br />
meist mit einer erhöhten Vorlauftemperatur vorgeladen und dann über den<br />
Heizkreis entladen. Die erhöhte Ladetemperatur und die Speicherverluste wirken<br />
sich negativ auf die Systemeffizienz aus. Im Bereich der EFH mit Bodenheizung<br />
werden aus diesem Grund oft speicherlose Systeme verwendet. In Leichtbauhäusern<br />
mit Radiatoren und eingeschränkten Betriebszeiten des Heizsystems<br />
sind Zwischenspeicher notwendig. Die Speicherung erfolgt in diesen Fällen meist<br />
mit grossen Wasserspeichern. Als Beispiel sei hier ein Speicher von 1‘000 l Inhalt<br />
aufgeführt. Dieser kann bei einer nutzbaren Temperaturspreizung von 20 °C eine<br />
Energie von 1000*20*4.18 */3600 = 23 kWh Speichern. Dies (entspricht dem<br />
Energieinhalt von ca. 2.3 l Heizöl. Eine 10kW Heizung füllt den Speicher in 2h 18<br />
min. Bei 5kW Entnahmeleistung wird er in knapp 5h wieder entladen. Das Beispiel<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 12/30
zeigt, dass relativ grosse Wasserspeicher zur Zwischenspeicherung von Wärme<br />
notwendig sind. Zudem ist die Speicherung verlustbehaftet. Bei Speichern für<br />
grosse Energiemengen und begrenzten Platzverhältnissen kann der Einsatz von<br />
Phasenwechsel-Medien in Betracht gezogen werden. Mit dieser Technik kann das<br />
Volumen reduziert werden. Mit der Verkleinerung des Volumens sinken auch die<br />
Verluste. Phasenwechsel-Speicher werden in der Praxis noch selten eingesetzt.<br />
2.9. Nutzung der Wärmekapazität der Gebäudemasse<br />
In massiv gebauten Häusern bietet die Gebäudemasse meist genug<br />
Speicherkapazität, um das Raumklima über viele Stunden im Komfortbereich zu<br />
halten. In gewissen Fällen kann in Betracht gezogen werden, die Gebäudemasse<br />
zeitweise bewusst durch leicht erhöhte Temperaturen vorzuladen. Damit könnte<br />
sichergestellt werden, dass die Komfort-Parameter in jedem Fall eingehalten<br />
werden. Bei diesem Vorgehen muss aber berücksichtigt werden, dass bereits eine<br />
kleine Erhöhung der Soll Temperatur zu einer deutlichen Erhöhung des<br />
Verbrauchs führt. Als Faustregel wird hier oft folgender Zusammenhang angeführt:<br />
„Ein Grad mehr führt zu 6-8 % höherem Energieverbrauch“. Eine Erhöhung der<br />
Solltemperatur zur Sicherstellung eines 100.00 prozentigen Komforts muss also<br />
sehr genau gegen andere Nachteile abgewogen werden. Zudem ist eine zeitweise<br />
Anhebung der Solltemperatur in vielen Anwendungsfällen wegen dem Einsatz von<br />
Thermostatventilen nicht möglich. Diese schliessen bei Erreichen der Solltemperatur,<br />
so dass eine gezielte Vorladung der Gebäudemasse verhindert wird.<br />
2.10. Wärmespeicherung und Auskühlverhalten in Heizpausen<br />
Das Auskühlen eines Gebäudes oder Raumes folgt einer Exponentialfunktion. Die<br />
Auskühlung ist dabei abhängig von der Fläche und dem U-Wert des Gebäudes,<br />
der Wärmespeicherkapazität des Gebäudes sowie der Temperaturdifferenz.<br />
ΔT(0)<br />
ΔT(t)<br />
Anfangstemperatur<br />
Differenz bei t<br />
Zeitkonstante (tau)<br />
Abbildung 10: Berechnung des Auskühlverhaltens [Zürcher 2010]<br />
2.11. Vergleich Wärmeabgabesysteme<br />
Die Wärmeabgabesysteme Heizkörperheizung und Fussbodenheizung haben<br />
beide ihre Vor-und Nachteile. Für den Einsatz mit Wärmepumpen sind<br />
Bodenheizungen aufgrund der tiefen Vorlauftemperaturen die ideale Wahl.<br />
Vorteile einer Fussbodenheizung: grosse Wärmeabgabe bei tiefer Vorlauftemperatur<br />
und hohe Effizienz von Wärmepumpen, gute Temperaturverteilung<br />
über die Raumhöhe, hohe Wärmespeicherung im Unterlagsboden, Selbstregeleffekte,<br />
gewisses Potential zur Kühlung. Die Nachteile: Trägheit, kalter Boden bei<br />
Steinplatten, nach Erstellung nicht mehr zugänglich, möglicher Kaltluftabfall z.B.<br />
an Fenstern.<br />
Vorteile einer Heizkörperheizung: rasche Reaktion auf Bedarfssituation,<br />
Zugänglichkeit, Tagesstrahlung kann im Boden aufgenommen werden.<br />
Vermeidung von Kaltluftabfall an kritischen Stellen.<br />
Nachteile: höhere Vorlauftemperaturen, geringe Speicherkapazität bei<br />
Unterbrechungen, Raumverlust.<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 13/30
2.12. Komfortbedingungen<br />
Das Behaglichkeitsempfinden des Menschen hängt von diversen Faktoren ab. Im<br />
Zusammenhang mit der Gebäudesituation sind Ansprüche bezüglich Temperatur,<br />
Luftqualität und Luftzug im Vordergrund.<br />
- Einflüsse des Raumes<br />
o mittlere Oberflächen-Temperaturen (Strahlungstemperatur) der<br />
umgebenden Flächen<br />
o örtliche Wärmestrahlungen von Geräten, Heiz- und Kühlflächen<br />
- Einflüsse des Menschen<br />
o Zusammenhänge mit der Tätigkeit (met-Wert)<br />
o Bekleidung (clo-Wert)<br />
- Einflüsse der Lüftungs- oder Klimaanlage<br />
o Raumlufttemperatur<br />
o Luftbewegung (Geschwindigkeit, Richtung, Turbulenz)<br />
o relative Raumluftfeuchtigkeit<br />
Raumtemperatur und Werte für die Bekleidung<br />
Der clo Wert ist ein Mass für den Wärmedämmwert der Bekleidung eines<br />
Menschen. Clo 1 entspricht einer typischen Haushaltsbekleidung im Winter. In SIA<br />
383/1 wird für den Bereich mit Heizbedarf von einem clo Wert von 0.8 bis 1<br />
ausgegangen. In SIA 382/1 ist der Bereich der Raumtemperatur entsprechend der<br />
Aussentemperatur definiert. In der Heizperiode sind Temperaturen zwischen 21<br />
und 24.5 °C vorgesehen. In SIA 2024 ist die Auslegetemperatur für Wohnräume<br />
heute auf 21 °C festgelegt (Bereich 20-24 °C). In SIA 384.201 wird der<br />
Komfortbereich für die Personenklasse B (10% unzufriedene) mit 20-24 °C<br />
definiert. Für die vorliegende Arbeit wird ausgehend von den verschiedenen<br />
Normen mit einer Solltemperatur von 21°C gearbeitet. Schwankungen in positive<br />
und kleinere Schwankungen in negative Richtung werden akzeptiert. Die<br />
Raumtemperatur soll dabei immer über 20 °C liegen.<br />
Abbildung 11: SIA382/1 Raumtemperaturbereich nach Aussentemperatur<br />
3. Simulation, Optimierung und Analyse<br />
3.1. Grundlagen und Eigenheiten Polysun Simulation<br />
Zeitsystem<br />
In der vorliegenden Arbeit wird mit Zeitschaltuhren und Stromtarifzeiten gearbeitet.<br />
Es ist dazu wichtig, die Eigenheiten des Polysun Zeitsystems zu verstehen.<br />
Polysun verwendet ein lineares Zeitsystem in welchem die Stunden des Jahres<br />
durchnummeriert sind. Die Stunde Null definiert dabei den Zeitraum von 00:00 bis<br />
01:00 des ersten Tages im Jahr. Die Stunde 24 repräsentiert den Zeitraum von<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 14/30
00:00 bis 01:00 des zweiten Tages im Jahr. Die letzte Stunde des Jahres hat<br />
demnach die Bezeichnung 8759. Es wird mit „Normaljahren“ (kein Schaltjahr)<br />
gearbeitet. Bei der Arbeit mit Stromtarifzeiten können die entsprechenden<br />
Angaben in Excel bedarfsgerecht umgerechnet und die Tarifzyklen dazu definiert<br />
werden. Eine Eigenheit ist bei der Verwendung von Schaltuhren in Polysun zu<br />
beachten. In Schaltuhren werden die Zeiten von 1 bis 24 definiert. Wenn ein<br />
Prozess in der Polysun Stunde Null von 00:00 bis 01:00 aktiv sein soll, muss in der<br />
Schaltuhr die Eins aktiviert werden. Die folgende Graphik zeigt die Einstellung für<br />
eine Betriebszeit von 21:00 bis 6:00<br />
Abbildung 12: Polysun Zeitschaltuhr 21:00 bis 6:00 eingeschaltet<br />
Alternativ zur Schaltuhr können Schaltvorgänge auch in einem Schaltprofil<br />
hinterlegt werden. Dabei müssen die Angaben in Form von Jahressekunden<br />
bereitgestellt werden. Die letzte Sekunde des Jahres hat dann die Nummer<br />
31'535'999. Das Vorbereiten eines komplexeren Schaltprofils kann in Excel erfolgen.<br />
Eine Kombination von Schaltprofil und Schaltuhr ist nicht möglich. Um die vorliegende<br />
Arbeit nachvollziehbar zu halten, wird auf die Verwendung von externen Schaltprofilen<br />
verzichtet.<br />
Grenzen der Simulation:<br />
Im Analysetool Polysun ist eine grosse Anzahl von Anlagenschemen vorhanden,<br />
was eine rasches Arbeiten für Standardaufgaben ermöglicht. Bei Bedarf kann die<br />
Hydraulik an die eigenen Bedürfnisse angepasst werden. Eine genauere Analyse<br />
der Anwendung der verschiedenen Regler zeigt, dass die notwendige Flexibilität<br />
für eine erweiterte Optimierung über Betriebszeiten und weiterer Parameter nicht<br />
ausreicht. Bei den bestehenden Reglern ist es teils schwierig nachzuvollziehen,<br />
nach welchen Algorithmen sie arbeiten. Dies trifft insbesondere beim kombinierten<br />
Betrieb von Heizung und Warmwassererzeugung zu. Die Detailresultate von<br />
Kombisystemen sind dadurch schwierig nachzuvollziehen.<br />
Weitere Einschränkungen sind: Keine leistungsgeregelten Wärmepumpen. Keine<br />
Kontrolle über die Abtauvorgänge. Keine Nutzung von Heissgas zur optimierten<br />
Erzeugung von Warmwasser. Keine variable Kontrolle der Haustemperatur<br />
(vorladen Gebäude auf leicht höherem Temperatur Niveau vor Pausezeiten).<br />
Radiatoren und Bodenheizung reagieren gleich in der Wärmeabgabe (hier hätten<br />
wir Unterschiede aufgrund der Speicherfähigkeit der Materialien erwartet).<br />
3.2. Beschreibung Referenzszenario<br />
Die Analysen werden an einem konkreten Objekt für die Standorte Bern, Zermatt<br />
und Lugano durchgeführt. Basisstandort ist Bern. Klimadaten [SIA 2028]:<br />
Standort MüM DurchschnTemp<br />
[°C]<br />
Globalstrahlung<br />
[MJ/m 2 ]<br />
DurchschnFeuchte<br />
[g/m 3 ]<br />
Bern 565 9.1 4178 7.26<br />
Zermatt 1638 4.3 4770 4.49<br />
Lugano 273 12.4 4429 8.21<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 15/30
Wahl Gebäude<br />
Es wird ein Einfamilienhaus – Niedrigenergiegebäude aus dem Katalog von<br />
Polysun gewählt. Die Konstruktion weist einen mittleren U-Wert von 0.35 W/(m 2 K)<br />
auf. Dies entspricht einem gewichteten Wert einer heutigen Neukonstruktion,<br />
welche die Einzelanforderungen der SIA Norm 380/1 erfüllt (U-Wert Fenster 1.3<br />
W/(m 2 K), opake Bauteile 0.2 W/(m2K), Fensteranteil Fassade S/O 25%, W 6%, N<br />
13%). Der Luftwechsel beträgt 0.3 h -1 , ein hygienisch erforderlicher Luftwechsel für<br />
Gebäude ohne mechanische Lüftung nach SIA 384.201.<br />
Die spezifische Heizlast von 55 W/m 2 ist relativ hoch, wird aber so übernommen<br />
(so werden Räume mit hohem Glasanteil oder komplizierter Geometrie gedeckt).<br />
Der spezifische Heizenergiebedarf von 30 kWh/m 2 entspricht einem<br />
Niedrigenergiehaus. Die Wärmekapazität des Gebäudes von 750 kJ/(m2K)<br />
entspricht einer schweren Bauweise.<br />
Für die Heizgradtage HGT20/12 wird für die Raumlufttemperatur ti = 21 °C und die<br />
Heizgrenze tgr = 13 °C angenommen (SIA 381-3 definiert eine Heizgrenze von<br />
12°C bei 20 °C Raumtemperatur und 14 °C bei 22 °C Raumtemperatur).<br />
Nach SIA 2024 besteht eine Warmwasserbedarf von 50 l/(d P).<br />
Wahl Wärmepumpe<br />
Die Wärmepumpe wird so dimensioniert, dass sie den Warmwasser und<br />
Heizungsbedarf meistens auch bei eingeschränkter Betriebszeit zur Verfügung<br />
stellen kann. Andererseits soll sie nicht überdimensioniert sein. Eine Wärmepumpe<br />
mit einer Leistung in der Grössenordnung von 10kW (A2/W35) wird dieser<br />
Aufgabe gewachsen sein. Da Polysun noch keine regelbaren Wärmepumpen<br />
handhaben kann, werden solche nicht in Betracht gezogen. Eine gute Marktübersicht<br />
effizienter Wärmepumpen ist auf www.topten.ch zu finden. Andererseits<br />
helfen die Prüfresultate des Wärmepumpenzentrums Buchs [WPZ Prüfresultate<br />
Luft-Wasser-Wärmepumpen 2013]. Es wurden die Luft-Wasser-Wärmepumpen<br />
von drei Herstellern genauer analysiert. Die Auswahlkriterien waren: Leistung,<br />
Kältemittel R410, Scroll Verdichter, gute Arbeitszahlen. Details zum Innenleben<br />
und zu Abtaukonzepten sind meist nicht öffentlich. Die Auswahl erfolgte zwischen<br />
den Wärmepumpen Belaria von Hoval, LW70M von Alpha Inno Tec und HP10L<br />
von Heliotherm Wärmepumpentechnik. Aufgrund seiner über weite Bereiche guten<br />
Leistungsdaten und Arbeitszahl, fällt die Wahl auf die Heliotherm HP10L. Die<br />
folgende Tabelle zeigt die Leistungsdaten der Wärmepumpe:<br />
Erste Simulationen zeigen, dass die Gewählte Wärmepumpe die Aufgabe erfüllen<br />
kann.<br />
3.3. Vergleich und Wahl der Anlagenhydraulik<br />
Im folgenden werden verschiedene Anlagenhydrauliken in Bezug auf die Effizienz<br />
miteinander verglichen. Es soll die effizienzteste Anlagenkonfiguration für den<br />
gegebenen Einsatzzweck gefunden werden. Dazu werden bestehende<br />
Schaltungsvarianten in Polysun verwendet. Für die Vergleichbarkeit werden diese<br />
mit weitgehend einheitlichen Anlagekomponenten versehen. Für alle Anlagen gilt:<br />
Klimaumgebung Bern, Bodenheizung mit 35/30 °C, Keine Zusatzheizungen,<br />
Warmwasserboiler mit 300 l.<br />
Für eine aussagekräftige und nachvollziehbare Simulation werden Systeme mit<br />
getrennten Speichern für Heizung und Warmwasser betrachtet. In Polysun sind<br />
mehrere typische Hydraulikschemas hinterlegt. Vier davon werden einer<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 16/30
genaueren Prüfung unterzogen. Die für den gegebenen Anwendungsfall<br />
effizienteste Variante wird weiterverwendet.<br />
Polysun STASCH 2 Energieaufn. Energieabg.<br />
WP direkt auf Bodenheizung + Warmwasser,<br />
gesteuert über Umwälzpumpen<br />
JAZ Sys<br />
3'428 kWh 11'726 kWh<br />
3.42<br />
Abbildung 13: Anlageschema STASCH 2<br />
Polysun 16f Energieaufn. Energieabg.<br />
WP direkt auf Bodenheizung + Warmwasser<br />
über 3 Weg Ventil gesteuert<br />
JAZ Sys<br />
3'307 kWh 11'426 kWh<br />
3.46<br />
Abbildung 14: Anlageschema 16f<br />
Polysun 16b Energieaufn. Energieabg.<br />
WP über Pufferspeicher auf Bodenheizung +<br />
Warmwasser gesteuert über 3 Weg Ventil<br />
JAZ Sys<br />
3’328 11'587 kWh<br />
3.48<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 17/30
Abbildung 15: Anlageschema 16b<br />
Polysun STASCH 6 Energieaufn. Energieabg.<br />
WP über Pufferspeicher auf Bodenheizung +<br />
Warmwasser gesteuert über Umwälzpumpen<br />
JAZ Sys<br />
3'478 kWh 11’404<br />
3.27<br />
Abbildung 16: Anlageschema STASCH 6<br />
Das System mit Anlageschema 16f ohne Pufferspeicher im Heizkreis und mit 3<br />
Weg Ventilen zeigt in der Simulation die geringste Energieaufnahme der vier<br />
Anlagen. Dies ist zu erklären durch tiefe Vorlauftemperaturen aus der<br />
Wärmepumpe und teilweise Vermeidung von Speicherverlusten.<br />
3.4. Prüfung der Versorgung im Teilzeitbetrieb<br />
Für das Anlageschema 16f und die gewählte Wärmepumpe wird geprüft ob die<br />
Niedertarif Zeit ausreicht um sowohl Warmwasser, wie auch Heizwärme über das<br />
ganze Jahr zur Verfügung zu stellen. Dazu werden in der Heizungssteuerung die<br />
Hochtarif Zeiten gesperrt. Aufgrund der Simulation mit Polysun stellt sich bei 8<br />
Stunden Betrieb ein Energiedefizit von 4.5% ein, Bei 9 Stunden 2.3% und bei 10<br />
Stunden 1.2% bei 11 Stunden 0.8%.<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 18/30
Abbildung 17: Einstellmöglichkeiten Zeitschaltuhr<br />
Der Test zeigt, dass die gewählte Wärmepumpe auch bei Einschränkung der<br />
Betriebszeit die Versorgung des Gebäudes sicherstellen kann.<br />
3.5. Wärmespeicherung und Auskühlverhalten in Heizpausen<br />
Aus dem Verlauf der Gebäudetemperatur in der Simulation wird ersichtlich, dass<br />
die Gebäudemasse genug gross ist, um die Temperatur ausserhalb der<br />
Wärmepumpen Betriebszeiten stabil zu halten. Die Anlage 16f soll somit für die<br />
weitere Betriebsoptimierung verwendet werden.<br />
Abbildung 18: Temperaturverlauf Gebäude mit und ohne solare Gewinne<br />
3.6. Trennung von Heizkreislauf und Warmwasser Aufbereitung<br />
Mit den in Polysun verwendeten Kombireglern ist es relativ schwierig, einzelne<br />
Anlagekomponenten zu optimieren. Um nachvollziehbare Resultate zu erhalten,<br />
werden die Schaltungen für Warmwasser und Heizbetrieb für die Analysen in zwei<br />
Anlageschemen separiert und getrennt untersucht. Um ein realistisches<br />
Gesamtsystem zu erhalten, werden über die Zeitsteuerung Nutzungsfenster für<br />
Warmwasser-Aufbereitung und Heizungsbetrieb definiert. Somit kann die<br />
Komplettanlage realistisch getrennt simuliert werden. Die folgenden zwei<br />
Graphiken zeigen die separierten Anlagen.<br />
Abbildung 19: Anlageschema Gebäudeheizung<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 19/30
Abbildung 20: Anlageschema Warmwassererzeugung<br />
3.7. Optimierungsstrategien<br />
Analyse Verlauf der Tagestemperatur:<br />
Die Wetterdaten für Bern aus Polysun wurden mit Hilfe von Zusammenzügen und<br />
Berechnungen in Excel analysiert. Es wurden dabei über die Betrachtungsperiode<br />
gemittelte Tagesstundenwerte betrachtet. Die folgende Abbildung zeigt die<br />
saisonal gemittelten Tagestemperaturverläufe für Bern.<br />
Abbildung 21: Tagesverlauf Aussentemperatur Referenzstandort Bern<br />
Optimierung genutzte Lufttemperatur<br />
Es zeigt sich, dass die Spreizung zwischen Tag und Nacht im Frühjahr und<br />
Sommer grösser ist als im Herbst und Winter. Die Minimal- und die Maximaltemperatur<br />
unterscheiden sich für diesen Standort im Sommer um 8.2°K, im<br />
Winter nur um 4.6°K. Erschwerend kommt hinzu, dass aufgrund der langen<br />
Laufzeiten der Wärmepumpe im Winter die effektiv nutzbare durchschnittliche<br />
Temperaturoptimierung geschmälert wird. Auch im kostenoptimierten Betrieb wird<br />
die Wärmepumpe zum Beginn der Niedertarifzeit (in unserer Betrachtung um<br />
21:00) und somit oberhalb der minimalen Nachttemperatur betrieben. Für die<br />
Warmwasseraufbereitung im Sommer mit kürzerer Betriebszeit pro Tag ergibt sich<br />
eine Optimierungsmöglichkeit der Quellentemperatur um ca. 3.7 °K. bei einem<br />
unteren Quelltemperaturniveau von ca. 20 °C<br />
Für den Heiz- und Warmwasserbetrieb im Winter mit beispielsweise 8<br />
Betriebsstunden ergibt sich eine Optimierungsmöglichkeit von 2.8°K bei einem<br />
unteren Quelltemperaturniveau von 2.4 °C. Da nicht immer Heizbedarf für 8h<br />
besteht, sind diese Werte immer noch leicht höher als der Durchschnitt in der<br />
Realität.<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 20/30
Abschätzung des Optimierungsfaktors<br />
In Kapitel 2.2 wurde die Arbeitszahl auf der Basis der Carnot Beziehungen<br />
behandelt. Auf dieser Basis wird jetzt die maximal mögliche Optimierung der<br />
Arbeitszahl aufgrund der Temperaturerhöhung berechnet.<br />
Die Carnot Arbeitszahl berechnet sich nach: COP Carnot = ε WPCarnot = T1/ (T1-T2)<br />
T1 = Temperatur Heizkreis, T2 = Umgebungstemperatur<br />
Zusätzlich muss der Gütegrad des Systems mitberücksichtigt werden.<br />
COP = ε WP = ε WPCarnot * η WP η WP = Gütegrad der Wärmepumpe<br />
Im nächsten Schritt soll der maximal mögliche Optimierungsfaktor durch die<br />
Temperaturerhöhung bestimmt werden.<br />
COP oben / COP unten = (ε WPCarnotOben * η WP ) / (ε WPCarnotUnten * η WP )<br />
Es wird davon ausgegangen, dass der Gütegrad bei diesen kleinen<br />
Temperaturunterschieden konstant bleibt. Ebenso wird eine gleich bleibende<br />
Vorlauftemperatur des Heizkreises zu Grunde gelegt (dies wird später für den<br />
konkreten Fall der nicht regelbaren Wärmepumpe teilweise widerlegt). Durch<br />
einsetzen der Carnot Grundformel und Kürzen ergibt sich folgende<br />
Berechnungsregel, für den maximalen Optimierungsfaktor.<br />
Optimierungsfaktor = (T1 – T2 unten ) / (T1-T2 oben )<br />
Für den Standort Bern und Betrieb für Heizung (8h Mittel) und Warmwasser<br />
separat ergibt dies maximale Optimierungspotentiale wie folgt:<br />
Kostenoptimierter Betrieb zu Niedertarifzeiten<br />
In der Praxis wird der Heizbetrieb und die Warmwassererzeugung in der kostenoptimierten<br />
Variante mit Beginn des Niedertarifs gestartet. Aus Sicht der Quellentemperatur<br />
ist dieser Zeitpunkt innerhalb der Niedertarifzeiten optimal, da Anfangs<br />
mit den noch höheren Aussentemperaturen gearbeitet wird. Eine einfache Zeitschaltung<br />
kann zur Bestimmung der Betriebszeiten eingesetzt werden. Für die<br />
Analyse der Niedertarifoptimierung wird eine Freischaltung für Warmwasser und<br />
Heizung zusammen von 21:00 bis 6:00 eingestellt. Dies ergibt maximale 9 h<br />
Betriebszeit. Um den Rest in Zeiten hohen Bedarfs zu decken, werden noch<br />
einzelne Stunden nach 6:00 dazugegeben.<br />
Wie in Kapitel 3.6 beschrieben werden die Betriebszeiten zu Analysezwecken<br />
zwischen Heizung und Warmwasser aufgeteilt. Folgende Betriebszeiten werden<br />
gewählt:<br />
- Heizung 22:00 - 5:00 (Hauptheizung) 6-8 (Nachheizung)<br />
(Polysun Schaltuhr, 23....5 und 7..9)<br />
- Warmwasser 21:00 - 22:00 (Hauptladung) und 5:00 – 6:00 (Zusatzladung)<br />
(Polysun Schaltuhr 22 und 6)<br />
Falls in einem der Szenarien der Energiebedarf nicht grösstenteils gedeckt ist,<br />
werden weitere Stunden gegen hinten, in Extremfällen auch vorne angehängt.<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 21/30
Abbildung 22: Einstellung Schaltuhr für Heiz und Warmwasser Betrieb<br />
Optimierung durch günstigere Wahl der Betriebszeiten<br />
Aus der Betrachtung des Temperaturverlaufs kann gelesen werden, dass um ca.<br />
15:00 typischerweise das Maximum der Tagestemperaturen erreicht wird. Einfach<br />
betrachtet könnte somit mit Schaltzeiten von 11:00 bis 19:00 die optimalen<br />
Aussentemperaturen genutzt werden. Eine Betriebszeit von acht Stunden ist nur in<br />
Extremsituationen notwendig. Typischerweise sind die Betriebszeiten kürzer. Eine<br />
Wahl der Freigabezeiten ab 13:00 optimiert das Resultat weiter. Die Betriebszeit<br />
wird wie folgt aufgeteilt:<br />
- Heizung 13:00 -16:00 und 17:00 bis 23:00<br />
(Polysun Schaltuhr 14 ...16 und 18...23)<br />
- Warmwasser 16:00 -17:00 und 23:00-24:00<br />
(Polysun Schaltuhr 17 und 24)<br />
Falls in einem der Szenarien der Energiebedarf nicht grösstenteils gedeckt ist,<br />
werden weitere Stunden gegen hinten angehängt.<br />
Abbildung 23: Einstellung Schaltuhr für Heiz und Warmwasser Betrieb<br />
3.8. Simulation der Optimierung für den Heizbedarf<br />
Als Basis für die Optimierungssimulation für den Heizbedarf wird das separierte<br />
Anlagenschema gemäss Graphik unten verwendet. Es werden nacheinander die<br />
zwei Szenarien „Niedertarifoptimiert“ und „Energieoptimiert“ geprüft. In der<br />
folgenden Tabelle sind die Resultate der Simulation aufgelistet. Zusätzlich werden<br />
die verschiedenen Jahresarbeitszahlen sowie die prozentuale Optimierung<br />
berechnet<br />
.<br />
Abbildung 24: Anlageschema Gebäudeheizung<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 22/30
Bei optimiertem Betrieb zu Niedertarif Zeiten ergibt sich mit den gewählten<br />
Komponenten bereits eine ansehnliche JAZsys von 4.26. Diese kann durch die<br />
Erhöhung der Quellentemperatur in der Variante „Energieoptimiert“ auf 4.42<br />
gesteigert werden. Die JAZsys erhöht sich so um 3.7 %.<br />
Analyse Verhalten Quellentemperatur, Anlagenleistung, Vorlauftemperatur<br />
Die Analyse zeigt, dass die Optimierung den theoretisch angenäherten Wert nicht<br />
erreichen kann. Grund dafür ist ein teilweise selbstkompensierender Effekt im<br />
Zusammenhang mit den verschiedenen Temperaturniveaus. Da die abgegebene<br />
Leistung der Wärmepumpe bei höheren Quellentemperaturen ansteigt, steigt bei<br />
gleich bleibender Last auch die Vorlauftemperatur des Heizkreises. Diese erhöhte<br />
Temperatur bewirkt, dass ein Teil der Optimierung der JAZ wieder zunichte<br />
gemacht wird. Die Detailanalyse dieses Effektes ist in der untenstehenden Grafik<br />
visualisiert. Eine Änderung der Aussentemperatur um +14° bewirkt aufgrund der<br />
höheren Wärmepumpen-Leistung eine Erhöhung der Vorlauftemperatur um 6.5°.<br />
In der Praxis kann somit in Anlagen ohne Regelung der Wärmepumpe nur ein Teil<br />
des Optimierungspotentials genutzt werden.<br />
Abbildung 25: Verhältnisse Vorlauftemperatur zur Aussentemperatur<br />
Einsparung durch verminderte Energieabgabe an Nutzer<br />
Ein weiterer Effekt aus der Analyse der Verbräuche zeigt, dass sich der<br />
Energiebedarf (Energie an Nutzer) des Systems im Szenario energieoptimiert<br />
ebenfalls um ca. 1.7% verringert hat. Diese Verringerung ist auf eine Verschiebung<br />
der Heizungsfreigabe auf die Zeit nach dem Mittag zurückzuführen. Der Einfluss<br />
der Sonnenenergie durch Fenster macht sich hier bemerkbar. Da der Heizbedarf<br />
erst nach Nutzung der solaren Einstrahlung bestimmt wird, ist dieser automatisch<br />
energieoptimiert. Ein Nachteil davon ist der längere Zeitraum, der bei bedecktem<br />
Wetter ohne Energiezufluss überbrückt werden muss. Die Zeiten mit etwas<br />
geringerer Raumtemperatur werden so etwas erhöht. Der Effekt der verminderten<br />
Energieabgabe an den Nutzer schlägt sich im Jahresverbrauch und in den<br />
Jahreskosten nieder, nicht aber in der JAZ des Systems.<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 23/30
Abbildung 26: Analyse Häufigkeit Stundentemperaturen Bern<br />
Die Analyse der Stundentemperaturen zeigt, dass in beiden Varianten die anfangs<br />
definierten Komfortbedingungen eingehalten werden können. In der<br />
energieoptimierten Variante fallen die Temperaturen etwas öfter leicht unter 21°.<br />
Andererseits wird ein Überheizen verhindert. In beiden Szenarien treten vereinzelt<br />
Stundenwerte gegen 20 Grad auf. Diese sind durch die eingeschränkten<br />
Betriebszeiten zu begründen. Eine intelligente Steuerung kann in Mangelzeiten die<br />
Betriebszeit verlängern, wodurch Temperaturen unter 20.5° ganz ausgeschlossen<br />
werden können.<br />
3.9. Simulation der Optimierung für den Warmwasserbedarf<br />
Als Basis für die Optimierungssimulation für den Warmwasserbedarf wird das<br />
separierte Anlagenschema gemäss Graphik unten verwendet. Es werden<br />
nacheinander die zwei Szenarien „Niedertarifoptimiert“ und „Energieoptimiert“<br />
geprüft. In der folgenden Tabelle sind die Resultate der Simulation aufgelistet.<br />
Abbildung 27: Anlageschema Gebäudeheizung<br />
Zum Vergleich mit anderen Methoden zur Warmwassererzeugung wird die JAZerz<br />
betrachtet. Eine JAZerz als Arbeitszahl des Erzeugers von 3.4 ist für eine Luft-<br />
Wasser-Wärmepumpe im Bereich der Warmwassererzeugung ein sehr guter Wert.<br />
Immerhin ist durch die Verschiebung der Betriebszeiten eine Optimierung der JAZ<br />
im Bereich von 4.2 bis 5.3 % erfolgt. Auch bei der Warmwasser-Erzeugung zeigt<br />
sich, dass die theoretisch angenäherten Optimierungswerte nicht erreicht werden<br />
können. Die Begründung dazu ist die erhöhte Leistung der Wärmepumpe und<br />
damit höhere Vorlauftemperaturen in die Wärmetauscher.<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 24/30
3.10. Zusammenzug und Gesamtanalyse<br />
Zur Analyse des Gesamtsystems werden die oben betrachteten Daten zu einem<br />
Gesamtsystem zusammengeführt. Da die Teilsysteme zeitlich separiert betrieben<br />
wurden, ergibt sich so eine repräsentative Gesamtanalyse.<br />
Die JAZsys des Gesamtsystems konnte durch die Optimierung von 3.60 auf 3.75<br />
gesteigert werden. Dies entspricht einer Optimierung um 4.1% gegenüber der<br />
stromkostenoptimierten Variante. Aufgrund des leicht verminderten Wärmebedarfs<br />
wurde die Energieaufnahme des Gesamtsystems sogar um 5.1% verringert.<br />
3.11. Ganzjahresbetrachtung Effizienz und Kosten<br />
Der Vergleich der Jahresenergiekosten mittels spezifischer Tarifmodelle kann nicht<br />
in Polysun berechnet werden. Die Analyse der Energiekosten erfolgt in Excel. Als<br />
Basis werden die Zeitreihen der Energieaufnahme mit stündlicher Auflösung<br />
verwendet. Zur Zuteilung der Energiewerte auf Tarifzeiten werden die durchnummerierten<br />
Jahresstunden von Polysun in Tage und Tagesstunden umgerechnet.<br />
Die so maskierten Einzeldaten werden zu Tarifsummen aufaddiert und mit<br />
den entsprechenden Preisen verrechnet. Die folgende Tabelle zeigt die<br />
Simulations-und Berechnungsresultate.<br />
Die effektiv erreichte Energieoptimierung des Gesamtsystems beträgt im<br />
vorliegenden Fall ca. 5.1%. Dagegen stehen Mehrkosten in der Höhe von 33%.<br />
Die Energieeinsparungen sind in den Mehrkosten bereits abgezogen.<br />
In heute üblichen Tarifsystemen kann die energieoptimierte Betriebsart nicht durch<br />
wirtschaftliche Kriterien begründet werden.<br />
3.12. Anwendbarkeit der Optimierung in anderer Klimasituation<br />
Temperaturverläufe und Optimierung für Klimazone Zermatt<br />
Zermatt liegt in einer typischen Höhenlage mit wenig Nebel und tiefen<br />
Wintertemperaturen. Der Einsatz einer Luft-Wasser-Wärmepumpe kommt hier an<br />
seine Grenzen. Trotzdem soll eine Simulation zeigen, ob auch hier eine<br />
Optimierung möglich ist. Es wird das gleiche Heizsystem wie im Szenario Bern<br />
eingesetzt. Aufgrund des höheren Energieverbrauchs wird mit verlängerten<br />
Betriebszeiten gearbeitet. In den folgenden Graphiken werden die gemittelten<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 25/30
saisonalen Stundentemperaturen für den Standort Zermatt dargestellt. Zudem<br />
werden die Resultate der Simulation zusammengefasst und analysiert.<br />
Abbildung 28: Analyse Wetterdaten Zermatt<br />
Abbildung 29: Analyse Häufigkeit Stundentemperaturen Zermatt<br />
Die Analyse der Stundentemperaturen für Zermatt zeigt, dass auch bei extremeren<br />
klimatischen Bedingungen die definierten Komfortbedingungen eingehalten<br />
werden können. Auch hier wird ein Überheizen verhindert. Durch eine situative<br />
Verlängerung der Betriebszeit in Mangelzeiten können die Temperaturen nahe<br />
20°C bei Bedarf in beiden Fällen erhöht werden.<br />
Wie erwartet sind die Optimierungen aufgrund der tieferen durchschnittlichen<br />
Temperaturen kleiner ausgefallen. Zudem wird das Optimierungspotential des<br />
Heizbetriebs aufgrund der längeren Laufzeiten automatisch geschmälert.<br />
Überraschend ist, dass im energieoptimierten Heizbetrieb für den Standort Zermatt<br />
immer noch eine JAZ von 4.0 resultiert. Die JAZerz für die Warmwassererzeugung<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 26/30
ist naturgemäss ebenfalls tiefer als in Bern. Interessant hier ist das höhere<br />
Optimierungspotential im Vergleich mit Bern. Dies lässt sich auf die nebelfreie<br />
Lage und die sehr tiefen Nachttemperaturen am Standort begründen. Die JAZsys<br />
von 3.47 für das Gesamtsystem ist für diesen Standort ein respektabler Wert.<br />
Für die gewählte Wärmepumpe sind die tiefen Temperaturen an diesem Standort<br />
gemäss Hersteller kein Problem für die Anlage. Bei entsprechender Auslegung ist<br />
der Betrieb gewährleistet.<br />
Temperaturverläufe und theoretische Optimierung für Klimazone Lugano<br />
Lugano mit seinem eher mediterranen Klima zeichnet sich durch hohe<br />
Sommertemperaturen und hohe solare Gewinne aus. Aufgrund der hohen<br />
Temperaturen kommt der Einsatz einer gewöhnlichen Luft-Wasser-Wärmepumpe<br />
an seine Grenzen. Trotzdem soll eine Simulation zeigen welche Optimierungspotentiale<br />
hier bestehen. Es wird das gleiche Heizsystem wie im Szenario Bern<br />
eingesetzt. In den folgenden Graphiken werden die gemittelten saisonalen<br />
Stundentemperaturen ermittelt. Zudem werden die Resultate der Simulation<br />
zusammengefasst und analysiert.<br />
Abbildung 30: Analyse Wetterdaten Lugano<br />
Abbildung 31: Analyse Häufigkeit Stundentemperaturen Gebäude Lugano<br />
Die Analyse der Stundentemperaturen im Gebäude für den Standort Lugano zeigt,<br />
dass die Komfortbedingungen eingehalten werden können. Auch hier wird ein<br />
Überheizen verhindert.<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 27/30
Für den Standort Lugano ist das Optimierungspotential in allen Bereichen grösser<br />
als in Bern. Dies ist auf die deutlich höheren Tagestemperaturen aufgrund der<br />
vielen Sonnenstunden zurückzuführen. Gleichzeitig ist die Nachtauskühlung bei<br />
klarem Himmel stärker als in Bern und die Betriebszeiten der Wärmepumpe sind<br />
durchschnittlich kürzer.<br />
Grenzen des Wärmepumpenbetriebs<br />
Die gewählte Wärmepumpe wird Aussentemperaturen bis zu 40°C grundsätzlich<br />
problemlos meistern. Die Verdampfertemperatur wird aber ab ca. 20°C Aussentemperatur<br />
durch Drosseln der Luftzufuhr künstlich tief gehalten. Eine<br />
Verschiebung des Betriebs nach Zeiten mit Temperaturen über 20°C ist möglich,<br />
bringt aber keine Optimierung in der JAZ. Um diese unnütze Optimierung in der<br />
Realität zu umgehen, muss die Anlage mit einer intelligenten Steuerung betrieben<br />
werden. Eine reine Zeitschaltuhr führt nicht zu optimalen Resultaten.<br />
Aufgrund der Vorgehensweise zur Bestimmung von Arbeitszahlen in Polysun [BFE<br />
Marti, Witzig, Huber, Ochs 2009] ist davon auszugehen, dass Polysun bei Quellentemperaturen<br />
über 20 °C zu hohe Arbeitszahlen hinterlegt. Im oberen Temperaturbereich<br />
sind keine Stützstellen für eine korrekte Interpolation mehr vorhanden. Die<br />
Arbeitszahlen müssten in diesen Fällen teilweise etwas zu hoch ausgefallen sein.<br />
4. Fazit<br />
Die Analysen zeigen, dass durch eine Verschiebung der Betriebszeit von Luft-<br />
Wasser-Wärmepumpen von tiefen Nachttemperaturen zu wärmeren<br />
Tagestemperaturen, Energie in der Grössenordnung von einigen Prozent<br />
eingespart werden kann. Für einen durchschnittlichen Standort wie Bern beträgt<br />
die Einsparung in der geprüften Konfiguration 5%. Die energieoptimierte Variante<br />
zeigt trotz Energieeinsparungen, Mehrkosten von 33%. Der Betrieb ist in dieser<br />
einfachen Art der Energieoptimierung, nicht durch Wirtschaftlichkeit begründbar.<br />
Die Komfortanforderungen können in allen untersuchten Fällen eingehalten<br />
werden.<br />
Eine weitere Erkenntnis aus der Arbeit ist, dass die Effizienz der Wärmepumpe oft<br />
durch überhöhte Vorlauftemperaturen leidet. Ein Einsatz von regelbaren<br />
Wärmepumpen kann hier eine weitere Optimierung bringen. Interessant ist auch,<br />
dass mit effizienten Luft-Wasser-Wärmepumpen für den Heizbetrieb in modernen<br />
Gebäuden, Jahresarbeitszahlen über vier erreicht werden.<br />
Die Möglichkeiten, welche die Simulationssoftware Polysun bietet, kommen bei<br />
dieser Art der Betriebsoptimierung von Wärmepumpenanlagen an ihre Grenzen.<br />
Die Funktionalität der Regler ist begrenzt und die hinterlegten Steuerungs-<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 28/30
algorithmen sind schwierig nachzuvollziehen. Eine aufschlussreiche<br />
Dokumentation der Regler durch den Hersteller wäre hier sicher sinnvoll. Mit<br />
Steuerungen, welche für diese Aufgabenstellung optimiert sind, könnte<br />
insbesondere die Wirtschaftlichkeit der Energieoptimierung nochmals deutlich<br />
verbessert werden.<br />
5. Ausblick weitere Optimierungen<br />
Die vorliegende Arbeit zeigt ein gewisses Optimierungspotential mittels Verlegen<br />
der Betriebszeiten von Luft-Wasser-Wärmepumpen in wärmere Tagesstunden. Die<br />
Wirtschaftlichkeit ist aber vorerst nicht gegeben. Unten sind zwei mögliche<br />
Anschlussarbeiten aufgeführt, mit dem Ziel, die Resultate einer Optimierung in<br />
energetischer und wirtschaftlicher Hinsicht weiter zu verbessern. Die Autoren<br />
dieses Berichts sind gerne bereit, ihre Erfahrungen sowie die zur Analyse<br />
benützten Excel Tools einem Nachfolgeteam weiterzugeben.<br />
Anschlussarbeit energetisch/ökonomische Optimierung<br />
In einer Anschlussarbeit könnte eine weitergehende energetische und<br />
ökonomische Optimierung der Betriebsparameter in Betracht gezogen werden.<br />
Mittels Wetterprognose mit Temperatur und Globalstrahlung kann der<br />
Heizwärmebedarf im Voraus (ausserhalb von Polysun, z.B in Excel) bestimmt<br />
werden. Gleichzeitig können die optimalen Betriebszeiten des Wärmeerzeugers<br />
unter Berücksichtigung der Wetterdaten, der Tarifinformationen und der Komfortbedingungen<br />
im Voraus berechnet werden. Mittels Betriebszeiten File können die<br />
Auswirkungen der neuen Steuerung dann in Polysun simuliert werden. Unter<br />
Berücksichtigung der Energieoptimierung und der Stromkosten kann so<br />
voraussichtlich ein deutlich besseres Kosten/Nutzen-Verhältnis realisiert werden.<br />
Mehrkosten für die Betriebsenergie werden in dieser Betriebsweise nur dann<br />
generiert, wenn ein relevanter energetischer Nutzen besteht.<br />
Anschlussarbeit geregelte Wärmepumpe<br />
Die Analysen zeigen, dass mit der Verwendung von regelbaren Wärmepumpen die<br />
Optimierungspotentiale für viele der betrachteten Anwendungsfälle deutlich<br />
grösser wären. Sobald Polysun regelbare Wärmepumpen simulieren kann, könnte<br />
eine Optimierung des Wärmepumpen-Betriebs erneut untersucht werden.<br />
Zertifikatsarbeit CAS EF13, Institut Energie am Bau 29/30
6. Quellenverzeichnis<br />
[BFE, Bertsch Ehrbar, Hubacher 2002] BFE, Bertsch, Ehrbar, Hubacher,<br />
Verbesserung des Abtauens bei luftbeaufschlagten Verdampfern, Phase 2, BFE,<br />
2002 Schweiz<br />
[BFE, Ehrbar, Bertsch, Schwendener 2005] Ehrbar, Bertsch, Schwendener,<br />
Hubacher, Bernal, Verbesserung des Abtauens bei luftbeaufschlagten<br />
Verdampfern, Phase 2, BFE, 2005<br />
[BFE Marti, Witzig, Huber, Ochs 2009] Marti, Witzig, Huber, Ochs Simulation von<br />
Wärmepumpen-Systemen in Polysun 4, BFE, 2009 CH<br />
[WPZ Prüfresultate Luft-Wasser-Wärmepumpen 2013] WPZ, Prüfresultate<br />
Luft/Wasser-Wärmepumpen basierend auf der EN 14511:2011, WPZ, 2013<br />
[Stadt Zürich, Erhöhung Quellentemperatur WP 2011] Stadt Zürich, Schlussbericht<br />
Erhöhung der Quellentemperatur von Wärmepumpen, Stadt Zürich, 2011<br />
[Zürcher 2010] Zürcher Christoph und Frank Thomas, Bauphysik, Vdf<br />
Hochschulverlag, 2010, CH<br />
[SIA 381/3] SIA, Heizgradtage der Schweiz, CH<br />
[SIA 382/1] SIA Lüftungs- und Klimaanlagen-Allgemeine Grundlagen und<br />
Anforderungen, CH<br />
[SIA 384.1] Heizungsanlagen in Gebäuden, CH<br />
[SIA 2024] Standardnutzungbedingungen für die Energie und Gebäudetechnik, CH<br />
[SIA 2028] Klimadaten, CH<br />
[SIA 180] Wärme- und Feuchteschutz im Hochbau, CH<br />
Internet:<br />
www.waermepumpe.ch/fe/berichte.html<br />
www.topten.ch<br />
www.westfalen-ag.de<br />
www.aermec.it<br />
http://www.bfe.admin.ch/themen/00490/00502/05743/index.html?lang=de<br />
http://www.suntrol-portal.com<br />
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