Wärmepumpen
In diesem Kapitel werden die verschiedenen Möglichkeiten zur Modellierung eines Wärmepumpensystems in Sympheny erläutert. Dazu gehört auch die Berücksichtigung der Niedertemperaturquelle, deren Verfügbarkeit den Betrieb der Wärmepumpe beeinflusst.
Dieses Kapitel beginnt mit der Modellierung der Basissysteme (Wärmepumpe, Kältemaschine und deren Aggregat, reversible Wärmepumpe). In diesem Fall wird keine maximale Verfügbarkeit der Niedertemperaturwärmequelle berücksichtigt. Diese Hypothese gilt generell für die Luft-Wärmepumpe.
In einem zweiten Abschnitt werden die verschiedenen Möglichkeiten der Modellierung von zwei Temperaturniveaus mit einer Standard-Wärmepumpe aufgezeigt. Welche Lösung gewählt wird, hängt von den Nutzern und ihrem Projekt ab. Es ist auch möglich, alle Möglichkeiten zu modellieren und Sympheny die optimale Lösung berechnen zu lassen.
In den letzten Abschnitten werden Wärmepumpenanwendungen, bei denen ein besonderes Augenmerk auf die Niedertemperaturquelle gelegt werden muss, detailliert beschrieben: Wärmepumpe auf Grundwasser, Wärmepumpe auf geothermische Wärme und Wärmepumpe auf Abwasser.
- Standard Wärmepumpe
Dieses Wärmepumpenmodell arbeitet mit einer Niedrigtemperaturquelle, die als "Umgebungswärme" bezeichnet wird. Dabei kann es sich um jede Art von Quelle handeln, z. B. Luft oder Wasser. In diesem einfachen Fall ist die Wärmezufuhr aus der Umgebungswärme nicht begrenzt. Es ist daher kohärenter, diese Technologie als Luft-Wärmepumpe zu bezeichnen. Bei einer Wärmepumpe, die mit Grundwasser, Flusswasser, geothermischer Wärme oder Abwasser arbeitet, muss die Verfügbarkeit der Niedrigtemperaturquelle generell berücksichtigt werden (siehe die entsprechenden Abschnitte).
Bitte beachten Sie, dass die hier gewählten Temperaturniveaus und Leistungszahlen nur als Beispiele zu verstehen sind.
Abbildung 2 Systemdiagramm einer Standard-Wärmepumpe, die aus Strom und Umgebungswärme Wärme erzeugt.
Zusammenfassung der Konfiguration
Energieträger | Energiebedarf | Imports | Versorgungstechnologien |
Wärmepumpe WP | |||
Elektrizität |
| X | Primäreingabe |
Wärme |
| X | Eingabe |
Wärme 70-80°C | X |
| (primär) Ausgang |
Einrichtung des Systems
Figure 3 Set Abbildung 3 Aufbau der Umsetzung einer einfachen Wärmepumpe.p implementation of a simple heat pump.
Bei der Definition einer Wärmepumpe in Sympheny müssen die folgenden Schritte durchgeführt werden:
Definieren der notwendigen Energieträger (wie in der Tabelle unter der ersten Zeile der Übersicht der Einrichtung" angezeigt).
Definition der Eingänge der Wärmepumpe (in diesem Fall Strom und Umgebungswärme) in der Registerkarte Importe & Exporte.
Abbildung 4 Importmöglichkeiten für eine einfache Wärmepumpe mit den entsprechenden Kosten- und Emissionsparametern.
Die Wärmepumpe selbst wird auf der Registerkarte Versorgungstechnologien definiert. Der COP kann vom Benutzer flexibel angepasst werden, ebenso wie die Eingangsverhältnisse.
Es ist wichtig, dass der richtige Primäreingang gewählt wird (Strom im Falle einer Wärmepumpe). Der Wirkungsgrad der Leistung wird nämlich auf der Grundlage des Primäreinsatzes berechnet.
Abbildung 5 Definition von Inputs, Outputs und COP einer Wärmepumpe.
Optional kann für eine detailliertere Modellierung der Wirkungsgrad mit monatlichen Wirkungsgraden eingegeben werden, indem der Schalter für den zeitlich variablen Wirkungsgrad aktiviert wird.
Abbildung 6 Aktivierungsschritte von zeitlich variierender Effizienz.
Ein häufiger Fehler ist schließlich das Fehlen eines Eintrags: Technologienamen, Hub, Einstellung der Prüfung für die primäre Eingabe/Ausgabe oder Eingabe der Lebensdauer. Wenn einer dieser Einträge fehlt, ist die Schaltfläche "Speichern" nicht verfügbar.
Abbildung 7 Häufiger Fallstrick, fehlende Einträge bei der Einrichtung der Umwandlungstechnologie.
Um die Technologie speichern zu können, müssen Sie überprüfen, ob Sie alle diese Einträge vorgenommen haben. Pro Technologie muss es einen Primäreingang und einen Primärausgang geben (außer in der Ausnahme, dass die Technologie keinen Eingang hat; in diesem Fall ist kein Primäreingang erforderlich).
Abbildung 8 Endkontrolle, um die korrekte Einrichtung einer Umwandlungstechnologie zu gewährleisten.
- Modellierung mehrerer Temperaturniveaus mit einer Standard-Wärmepumpe
Die Modularität von Sympheny erlaubt es den Nutzern, ihre Systeme auf sehr flexible Weise zu definieren. Dieser Abschnitt zeigt die verschiedenen Optionen für die Modellierung von zwei Temperaturniveaus mit Wärmepumpen. Das Standardbeispiel ist das eines Wohngebäudes, in dem Heizung und Warmwasser (WW) benötigt werden, jeweils auf einem anderen Temperaturniveau (mittlere Temperatur (MT) für Heizung und hohe Temperatur (HT) für WW).
Es sind verschiedene Modellierungen möglich:
2 Wärmepumpen in Parallelschaltung
2 Wärmepumpen in Reihe
1 Wärmepumpe mit zwei Betriebsarten
1 Wärmepumpe für HT und einen Wärmetauscher/Mischer
- 2 Wärmepumpen in Parallelschaltung
Bei dieser Variante können die beiden Wärmepumpen völlig getrennt voneinander arbeiten. Daher ist kein Speicher erforderlich, damit die Energiebilanz stimmt. Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe HT (Hochtemperatur) spiegelt das höhere Temperaturdelta wider und ist dementsprechend niedriger als der Wirkungsgrad der Wärmepumpe MT ("Mitteltemperatur").
Abbildung 9 Systemdiagramm von zwei parallel geschalteten Wärmepumpen, die zwei Temperaturniveaus erzeugen.
- 2 Wärmepumpen in Reihe
Wenn die Wärmepumpen in Serie betrieben werden, ist ein Speicher erforderlich, um sicherzustellen, dass beide Anforderungen (Heizung und Warmwasser) gleichzeitig erfüllt werden können, ohne dass eine Wärmepumpe mit unnötig großer Kapazität benötigt wird. Da die Wärmepumpe HT jetzt mit Wärme mittlerer Temperatur arbeitet, ist ihr COP höher als bei der oben beschriebenen Version, bei der die Wärmepumpen parallel arbeiten.
Abbildung 10 Systemdiagramm von zwei parallel geschalteten Wärmepumpen, die zwei Temperaturniveaus mit Warmwasserspeicher für Niedertemperaturwärme erzeugen.
- 1 Wärmepumpe mit zwei Betriebsarten
Der Fall einer Wärmepumpe mit zwei Betriebsarten ist vergleichbar mit dem Fall von zwei parallel geschalteten Wärmepumpen. Durch die Verwendung der Betriebsarten berücksichtigt die Software die Kosten nur einmal (da es sich um die gleiche Maschine handelt). In der Modellierung von Sympheny können die Betriebsarten gleichzeitig in der gleichen Stunde arbeiten. Wenn eine Kapazitätsgrenze festgelegt wird, gilt diese für die Summe der beiden Betriebsarten in der Stunde.
Für einen realistischen Betrieb wird daher dringend empfohlen, einen Wärmespeicher zu integrieren (zumindest für eines der Temperaturniveaus).
Abbildung 11 Systemdiagramm von zwei parallel geschalteten Wärmepumpen, die zwei Temperaturniveaus mit Warmwasserspeicher für Hochtemperaturwärme erzeugen.
Die Modi werden im Rahmen der Definition der Versorgungstechnik eingestellt. Um einen zweiten Modus aufzurufen, drücken Sie "Neuer Modus":
Abbildung 12 Einrichtung mehrerer Betriebsarten für eine Umwandlungstechnologie.
Dadurch wird ein zweites Feld für die Eingabe der zweiten Betriebsart der Technologie geschaffen. In diesem Fall sind beide Modi sehr ähnlich: die einzige Abweichung ist die Art der Leistung (Hochtemperatur- oder Mitteltemperaturwärme) und der entsprechende COP (in Prozent).
Die Betriebsarten einer Technologie sind an ihren Namen im Systemdiagramm zu erkennen: Jede Betriebsart hat ihre Betriebsartnummer, die an den Namen der Technologie angehängt ist (z. B. "Wärmepumpe HT 1" und "Wärmepumpe HT 2") sind die Betriebsarten einer einzigen Technologie.
Abbildung 13 Definition von zwei Betriebsarten für eine Wärmepumpe für unterschiedliche Temperaturen.
- 1 Wärmepumpe für HT und einen Wärmetauscher/Mischer
Schließlich gibt es auch die Möglichkeit, eine Wärmepumpe zu modellieren, die eine hohe Temperatur erzeugt, die dann mit einem anderen Medium gemischt/abgeleitet wird, um eine niedrigere Temperatur zu erzeugen. In diesem Fall wird die Erzeugung von Wärme mit mittlerer Temperatur nicht von einem höheren COP profitieren (wie es bei den anderen oben beschriebenen Optionen der Fall war). Ein Speicher ist auch notwendig, damit die Energiebilanz bei gleichzeitigem Bedarf an Heizwärme und Warmwasser stimmt.
Abbildung 14 Systemschema einer Hochtemperatur-Wärmepumpe in Kombination mit einem Wärmetauscher und einem thermischen Speicher.