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Wärmepumpenoptimierung zur Trinkwarmwasserbereitung

Ist es möglich eine Wärmepumpe mit einem COP (Coefficient of perforamnce) von 10 zu entwickeln? Man investiert 1 kWh Strom und bekommt 10 kWh warmes Wasser, geht das? Ein sogenannter Wärmesee unter der Bodenplatte des Hauses soll gespeicherte Sonnenenergie bis in den Winter an die Wärmepume weitergeben. Dazu soll ein geeigneter Verdichter gefunden werden. Es soll untersuchtwerden, welche Optimierungen einerseits der Wärmepumpe selbst anderseits des TW-Systems eine positive Auswirkung auf den COP aufweisen. Dabei soll das Bodengutachten und die Erdreichsimulation analysiert werden.

Inhaltsverzeichnis

1 Begriffe und Abkürzungen: – 4 –

2 Aufgabenstellung – 5 –

3 Gebäude – 5 –

4 Erdwärme, Grundlagen – 7 –

4.1 Wärmeüberschuss aus Solarthermie – 11 –

4.2 Erdreichsimulation – 12 –

4.2.1 Bemessungswerte – 12 –

4.2.2 Simulierter Aufbau – 12 –

4.2.3 Randbedingungen – 13 –

4.2.4 Eingespeiste und entnommene Wärmemenge – 13 –

4.2.5 Messpunkte für Temperaturverlauf – 14 –

4.2.6 Ergebnisse – 15 –

5 Wärmepumpe, Grundlagen – 16 –

5.1 Der Kältemittelkreislauf – 17 –

5.2 COP – 18 –

5.3 Gütegrad – 19 –

5.4 Nennbedingungen für Kältemittel-Verdichter – 21 –

6 Optimierung der Wärmepumpe – 22 –

6.1 Dimensionierung der Wärmepumpe – 26 –

6.1.1 Heizlast – 26 –

6.1.2 Warmwasserbedarf – 26 –

6.1.3 Auslegungsleistung der Wärmepumpe – 26 –

6.1.4 Wärmepumpenauswahl – 26 –

6.2 Wirtschaftlichkeit der WP – 28 –

7 Optimierung der Trinkwasserverteilung zugunsten der Wärmepumpe – 29 –

7.1 Zentrale TW-Erwärmung – 30 –

7.2 TW-Verteilung – 30 –

7.3 Pufferspeicher – 33 –

7.4 Überhitzung – 34 –

8 Ergebnisse – 34 –

8.1 Lambda von 2 W/m*K – 34 –

8.2 Lambda von 1,5 W/m*K – 36 –

9 Fazit – 38 –

10 Abbildungsverzeichnis – 39 –

11 Formel- und Tabellenverzeichnis – 40 –

12 Literaturverzeichnis – 40 –

Begriffe und Abkürzungen:

Es werden die Begriffe endsprechend folgender Normen verwendet:

DIN EN 255, DIN EN 14511, DIN V 4701, VDI 4640, VDI 4650

COP Coefficient of performance, Leistungsziffer: gibt das Verhältnis zwischen zugeführtem elektrischen Strom zu gewonnener Wärme an (siehe 5.2)
EG Erdgeschoss
FWS Frisch Wasser Station
Gütegrad i (eta) oder ν (nü)] Verhältnis der gesamten isentropen Kompressionsleistung zur Leistungsaufnahme Anmerkung 1 zum Begriff: Die gesamte isentrope Kompressionsleistung ist die Summe aus dem jeweiligen Produkt des Massenstromes mal der isentropen Enthalpieänderung bei der entsprechenden Kompressionsstufe. (1)
HEAT2 HEAT2 ist ein PC-Programm für zweidimensionale stationäre und instationäre Wärmeleitung. Typische Anwendungen sind die Berechnung von Temperaturen und Wärmeströmen.
IBN Institut für Bauen und Nachhaltigkeit
PHPP Passiv Haus-Projektierungs-Paket
PWC Potable Water Cold (TWK – Trinkwasser kalt)
PWH Potable Water Hot (TWW – Trinkwasser warm)
TW Trinkwasser
WE Wohneinheiten
WP Wärmepumpe
WW Warmwasser

Aufgabenstellung

Ziel ist es eine Wärmepumpe mit einem COP von 10 zu realisieren. Dazu soll ein geeigneter Verdichter gefunden werden. Es soll untersuchtwerden, welche Optimierungen einerseits der Wärmepumpe selbst anderseits des TW-Systems eine positive Auswirkung auf den COP aufweisen. Dabei soll das Bodengutachten und die Erdreichsimulation analysiert werden.

Gebäude

Es handelt sich bei dem Projekt „Schmaler Wall“ um den Neubau eines Mehrfamilienhauses geringer Höhe mit 4 Wohneinheiten in Köln Worringen, das vom Institut für Bauen und Nachhaltigkeit (nachfolgend: IBN) geplant und begleitet wird. Die Anforderungen an die thermische Gebäudehülle, die Luftdichtheit, sowie die mechanische Lüftung entsprechen dem Passivhausstandard. Auf energetischer Seite ist es ein Plusenergiehaus.( Ein Haus, welches mehr Energie produziert, wie es benötigt).

Abbildung PHPP Nachweisblatt

In Abbildung 2 wird das gesamte Energiekonzept dargestellt. Die solarthermische Anlage speist zunächst den Pufferspeicher. Hat dieser die max. Temperatur von 90 °C erreicht, kann eine Temperierung des Fundamentes und der Geschossdecke durch thermische Bauteilaktivierung (Betonkerntemperierung) stattfinden.hydrolik schem

Abbildung Haustechnik Schema

Das Erdreich unter dem Flächenfundament verfügt in 1 Meter Tiefe über 100 Meter Rohrleitung (di=0,0318m), welche in 3 Meter Abstand mäanderförmig verlegt worden sind. Eine solarthermische Anlage aus Röhrenkollektoren sorgt für warmes Wasser. Das System soll komplett glykolfrei betrieben werden. Ein 2000 Liter Pufferspeicher speichert den Bedarf für Heizung und Warmwasser. Die Trinkwasserversorgung erfolgt über zentrale TW-Erwärmung und eine Frischwasserstation. Überschüsse werden, sobald der Puffer voll ist, in die Rohre im Erdreich gepumpt. Volkstümlich spricht man bei solchen Systemen von einem Wärmesee.

Reicht die Sonnenenergie nicht aus, soll eine Wärmepumpe monovalent den Bedarf decken.

Erdwärme, Grundlagen

Der Untergrund kann als Wärmequelle, Kältequelle und thermischer Energiespeicher genutzt werden. Er ist wegen des großen erschließbaren Volumens und des gleichmäßigen Temperaturniveaus für viele Anwendungen im Niedertemperaturbereich gut geeignet. (1)

Abbildung Bodengutachten, Schichtenaufbau (2)

Das Rohr des Wärmesees verläuft also in Auenlehm, Schluff, schwach sandig, schwach tonig und erdfeucht mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,9-2,3 W/(m*K) (Abbildung 4).Aus dem geologischen Gutachten mittels Rammkernsondierung geht ein Grundwasserstand von 3,6 m Tiefe hervor. Das Gebäude befindet sich in unmittelbarer Nähe des Rheins. Die Hochwasserstände des Grundwassers ab 1969 wurden analysiert. „Aufgrund der Ergebnisse der Sickerversuche kann dem Auenlehm ein Durchlässigkeitsbeiwert kf = 10-6 m/s zugewiesen werden“ (2). Die Versickerungsgeschwindigkeit von Lehmboden ist so gering das selbst bei oberflächlicher Überflutung es etwa 1 Jahr dauern würde bis das Rohr des Wärmesees von unten umspült würde. Dies würde für den Wärmesee den vollständigen Verlust der gespeicherten Wärme bedeuten.

Abbildung Thermische Stoffdaten verschiedener Böden (3)

Abbildung 5 Rohrschlangen im Erdreich

Die orangefarbenen Rohre (Abbildung 5) liegen 1 m Tiefe unter dem Fundament und bilden mit dem Randdämmstreifen den Wärmesee. Die Geschwindigkeit mit der das Wasser durch die Rohre im Wärmesee strömt wurde auf 0,2 m/s optimiert. Das weiße Rohr befindet sich in der Bodenplatte, dient als zusätzlicher Speicher, wird aber für die Berechnung nicht beachtet. Zur Kühlung im Sommer sind die blauen Rohre im Erdreich um das Gebäude herum verlegt. (Gelb – Dränage) In der Mitte der Bodenplatte befinden sich die Temperaturmessfühler.

Zum Abgleich mit der Erdreichsimulation wurde die thermische Solaranlage mit dem Programm T*SOL® von Valentin Software simuliert.

Abbildung Anlagenschema nach T*Sol Simulationsprogramm

Stellvertretend für den Wärmesee wird in dieser Darstellung ein überdachtes Schwimmbad verwendet.

Um die Überschüsse an das Erdreich einzuschätzen zu können, wurde eine dynamische Simulation durchgeführt. Die Simulation (Abbildung 6) wurde so optimiert, dass das Schwimmbad zeitlich so betrieben wird, dass die solaren Überschüsse bestmöglich eingesetzt werden können (Betriebszeiten von März bis September). Zudem wurden die thermischen Verluste des Schwimmbads verringert.

Wärmeüberschuss aus Solarthermie

Die Solaranlage zum Simulationszeitpunkt bestand aus 6 Röhrenkollektoren (15,72 m² Bruttofläche). Tatsächlich sollen 40 m² Solarthermie installiert werden.

Der Wärmeüberschuss entspricht ungefähr der „Solarenergie an Schwimmbad“. Dementsprechend ca. 3897 kWh/a (Abbildung 7 Energiebilanz T*SolAbbildung 7). Interpoliert man linear 40 m²/16 m²*3900 kWh/a kommt man auf ungefähr 15600 kWh/a die dem Erdreich eingespeist werden. (Siehe 4.2.4 Eingespeiste und entnommene Wärmemenge)

Abbildung 7 Energiebilanz T*Sol

Erdreichsimulation

Um festzustellen, welche Wärmequellentemperatur der zu untersuchenden Wärmepumpe im Projekt Schmaler Wall zur Verfügung steht, wurde die Erdreichtemperatur durch die nachfolgende dynamische Simulation von Herrn Ullrich Dewald (4) ermittelt:

„Simulation Schmaler Wall – Version 2 vom 13. Mai 2014

Bemessungswerte

Lambda in W/(mK) spezifische Wärme

in MJ/(m3K)

Stärke in m
Lehmboden 1,45 / 2 / 2,5 4,2
Tragschicht aus Kiessand (0/45) 2 1,3 0,30
Beton einschließlich Sauberkeitsschicht 2,5 2,4 0,30
Multipor 0,045 0,143 0,30
Porenbeton 0,120 0,400 0,20
Fußbodenaufbau gesamt 0,0495 0,14 0,205
Schaumglasschotter 0,110 0,1445

Simulierter Aufbau

Simuliert wurde ein Gebäudeschnitt durch die Längsseite des Gebäudes. Im Querschnitt unten blickt man also auf die 14 Meter breite Schmalseite. Simuliert wurde eine 4,5 Meter breite und 0,2m starke Dämmschürze aus Schaumglasschotter.

Randbedingungen

Außentemperatur: stündliche Temperaturdaten aus Projekt LVR Düren[1], Wärmeübergangswiderstand Außenluft zum Erdreich und Außenluft zu Außenwand 0,04 m2K/W

Innentemperatur: 21 Grad Celsius, Wärmeübergangswiderstand Innenluft zur Wand 0,13 m2K/W, Innenluft zum Boden 0,17 m2K/W

Mesh-Werte für die Simulation 280 in x-Richtung, 280 in y-Richtung.

Starttemperatur bei der ersten Simulation 21 Grad Celsius, so ist das System in den relevanten Bereichen nahe der Bodenplatte bereits nach zwei bis drei Jahren gut eingeschwungen. Ausgegangen wird dennoch von einem über 10-Jahre eingeschwungenen Temperaturprofil, das für alle ausgewerteten Simulationen als Ausgangsituation verwendet wird.

Simulation über weitere 5 Jahre, ausgewertet wird das letzte Simulationsjahr.

Eingespeiste und entnommene Wärmemenge

Einspeisung ca. 15.000 kWh/a

Diese Wärmemenge wird gemäß Schätzung wie folgt verteilt:

Mai 1500 (1,49144 Bemessungswert für Simulation)

Juni 3375 (3,46760)

Juli 3375 (3,35574)

August 3375 (3,35574)

September 2250 (2,31173)

Oktober 1125 (1,11858)

——————————–

Summe 15000

Entnahme 15 x 500 kWh/a + 1000 kWh/a (TWW) = 8500 kWh/a

Diese Wärmemenge wird gemäß Schätzung wie folgt verteilt:

November 1000 (-1,02744 Bemessungswert für Simulation)

Dezember 2400 (-2,38630)

Januar 2400 (-2,38630)

Februar 2000 (-2,20165)

März 700 (-0,69600)

————————————

Summe 8500

Die Einspeisung und Entnahme erfolgt in der Fläche direkt unter der gesamten Tragschicht (Überstand ca. 0,5m auf jeder Seite) unter dem Gebäude, also auf einer Fläche von 15m x 22,53m = 337,95m2 .

Messpunkte für Temperaturverlauf

Erfassung Tageswerte entlang der gesamten Unterkante Dämmung Fußboden.

Koordinaten

10,14 26,687

10,86 26,687

11,58 26,687

12,31 26,687

13,03 26,687

13,75 26,687

14,47 26,687

15,20 26,687

15,92 26,687

16,64 26,687

Erfassung Tageswerte der Erdreichtemperatur in der Einspeiseebene.

Koordinaten

10,14 26,082

10,86 26,082

11,58 26,082

12,31 26,082

13,03 26,082

13,75 26,082

14,47 26,082

15,20 26,082

15,92 26,082

16,64 26,082

Erfassung Tageswerte im Außenstreifen unter der Dämmschürze ausgehend von der Außenkante Bodenplatte bis drei Meter nach außen

9,64 26,57

8,64 26,57

7,64 26,57

6,64 26,57

Von allen Temperaturwerten wird für die Auswertung ein Monatsmittelwert gebildet.

Ergebnisse

Lambda Boden

in W/(mK)

UK Dämmung Einspeiseebene Dämmschürze
1,45 Jan 16,5 16,1 10,0
Feb 14,6 14,1 10,2
Mär 15,1 14,8 11,1
Apr 16,5 16,3 11,6
Mai 19,1 19,3 13,5
Jun 23,6 24,3 16,0
Jul 27,0 27,7 17,6
Aug 29,1 29,9 19,2
Sep 29,5 30,2 18,7
Okt 28,1 28,6 17,9
Nov 24,6 24,6 15,8
Dez 20,0 19,7 12,7
2 Jan 16,3 15,9 10,4
Feb 14,6 14,1 10,5
Mär 15,0 14,8 11,3
Apr 16,3 16,1 11,7
Mai 18,6 18,7 13,5
Jun 22,6 23,1 15,8
Jul 25,5 26,1 17,3
Aug 27,4 28,0 18,8
Sep 27,7 28,2 18,4
Okt 26,5 26,8 17,7
Nov 23,4 23,3 15,8
Dez 19,3 19,0 12,9
2,5 Jan 16,1 15,7 10,6
Feb 14,6 14,1 10,6
Mär 14,9 14,6 11,4
Apr 16,0 15,8 11,8
Mai 18,2 18,3 13,4
Jun 21,8 22,2 15,7
Jul 24,5 24,9 17,1
Aug 26,2 26,7 18,5
Sep 26,5 26,9 18,2
Okt 25,3 25,6 17,5
Nov 22,5 22,4 15,7
Dez 18,8 18,4 13,0

„ (4) Zitat Ende, Dipl.-Phys. Ulrich Dewald

Redaktionsbüro, Wissenschaft – Technik – Energie

Beutenlaystraße 22, 72525 Münsingen

Telefon +49 173 99 42 968 Ulrich.Dewald@t-online.de<mailto:Ulrich.Dewald@t-online.de

Abbildung Temperatur des Wärmesees bei unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit des Bodens.

Entgegen der Erwartung zeigt sich, dass ein Boden aus wassergesättigtem Ton/Schluff oder wie hier angegeben ein Lehmboden mit einer Wärmeleitfähigkeit von 2 W/(m*K) nach HEAT2 die besten Wärmespeichereigenschaften aufweist. Da unbekannt ist wie feucht der Boden unter dem Gebäude seien wird, werden die Temperaturen für ein Lambda von 1,5 weiter berücksichtigt.

Wärmepumpe, Grundlagen

In diesem Kapitel werden die Formeln zur Berechnung des COP vorgestellt.

Die beeinflussbaren Größen, bei der Auslegung einer WP mit maximalem COP sind:

  • Die zu erreichende Vorlauftemperatur (möglichst niedrig, 35-45 °C)
  • Der Gütegrad des Verdichters (0,5-0,6)
  • Auswahl des Kältemittels
  • Die Quelltemperatur (Erdreichsimulation)
  • Verringerung der Verluste bei der Wärmeübertragung (Direktverflüssigung)

Der Kältemittelkreislauf

Das gasförmige Kältemittel wir von 1 nach 2 (Abbildung 9) durch Scroll-, Turbo-, oder Hubkolbenverdichter (A) komprimiert. Elektrische Leistung Pel wird zugeführt und das Temperaturniveau des Kältemittels erhöht. Von 2 bis 5 kann die Wärme an ein anderes Medium übergeben werden, bis die gesamte Enthalpie verbraucht ist und das Kältemittel wieder flüssig wird. Bei gewöhnlichen Wärmepumpen geschieht dies in Plattenwärmetauschern (B), wodurch sich eine Mischtemperatur zwischen überhitzten Dampf 2 und Fluid 5 für das zu übertragende Medium ergibt. Nach Punkt 5 wird das Fluid durch ein Expansionsventil (C) entspannt. Das erkaltete Fluid kann nun wieder verdampfen (D) bis es annähernd Quelltemperatur erreicht hat. Die Überhitzung von 6 nach 1 wird durchgeführt, um sicherzustellen, dass wenig Flüssigkeit den Verdichter erreicht. „In der Praxis erweist sich eine Überhitzung von 5 bis 10 Kelvin in Abhängigkeit vom Regelprinzip als ausreichend, wenn auch dann noch mit Resttröpfchen gerechnet werden muss.“ (5) Bei zu starker Überhitzung verschlechtert sich der Liefergrad[2].

Totraum/Schadraum

Abbildung Kältemittel Kreislauf (6)

COP

Die Leistungszahl bei Wärmepumpen gibt an, wieviel Nutzenergie (Wärme/Kälte) man aus der edlen Energieform Strom umwandeln kann.

Formel COP

[K]

[K]

Jahresarbeitszahl

Formel Jahresarbeitszahl VDI 4650 Blatt 1 / Part 1, S. 10

Die VDI lässt sich für das hiesige System nicht Anwenden da die Wärmequellentemperatur nicht größer 5 °C sein kann. (keine endsprechen Korrekturfaktoren)

Gütegrad

Der Gütegrad ist der Wirkungsgrad eines Verdichters. Er beschreibt die Abweichung zur isentropen Verdichtung. Bei Verdichtern endstehen Verluste durch Undichtigkeiten, mechanische Reibung und durch den sogenannten Totraum oder Schadraum. Dieser Raum entsteht durch die nötige Bewegungsfreiheit der Ventile oberhalb des Kolbenendpunktes.

Formel Gütegrad

Formel isentrope, Verdichterleistung bei tatsächlichen Prüfbedingungen

Vereinfacht ist die tatsächliche Leistung des Verdichters Pia

Formel vereinfachte Verdichterleistung

Anmerkung:

m7 ist bei einstufiger Verdichtung = 0

Indize a – tatsächlich

Indize i – grundlegend/isentrop

Überschlagsmäßig kann man mit einem Gütegrad von 0,5 rechnen. Um einen guten Überblick zu bekommen werden hier die besten Komplettwärmepumpen vorgestellt.

Laut dem Bericht des Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (7) ist der beste Gütegrad anhand des COP nach DIN EN 14511:

Für elektrisch betriebene Sole / Wasser Wärmepumpen von:

Hersteller Typ COP

[B0 / W35]

Nennwärmeleistung [kW] Gütegrad
Waterkotte EcoTouchAi1 5010.5 5,08 10,59 0,577

Für Direktverdampfungs / Wasser-Wärmepumpen (elektr. betrieben)

Heliotherm HP08E-M-WEB 5,04 8,24 0,572

Für Wasser / Wasser-WP (elektr. betrieben)

COP

[W10 / W35]

Hautec HCW-PN-42 R410a 6,5 10,7 0,545
König WP KWEA 17 T10 6,46 18,05 0,542
Waterkotte Ai1 QE 5010,5 6,73 13,55 0,564
Waterkotte Ecotouch DS 5015,5 Ai RC 6,89 13,87 0,575
Waterkotte Ecotouch DS 5017,5 Ai RC 6,96 17,98 0,584

Es zeigt sich, dass der Gütegrad mit zunehmender Nennleistung steigt.

Nennbedingungen für Kältemittel-Verdichter

Jedes Kältemittel hat einen Einsatzbereich, der durch Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur dargestellt wird. Der Wärmesee bietet ein schwankendes Spektrum an Quelltemperaturen. Deshalb muss ein passendes Kältemittel gewählt werden.

Abbildung te / tc Diagramm (8)

Tabelle Kältemittel, GWP, Verdampfungstemperatur

Kältemittel Name GWP

Treibhauspotential

Verdampfungstemp. [°C]
R22 Chlordifluormethan 1500 12,5
R404a Gemisch 3260 7,5
R134a Tetrafluorethan 1300 25
R407c Gemisch 1520 12,5
R290 Propan 3 -5

Optimierung der Wärmepumpe

Abbildung R410A spez. WP-Prozess

Abbildung R410A Anwendungsbereich, GEA

In dem Log p h Diagramm (Abbildung 11) ist zunächst nicht ersichtlich das sich dieses Kältemittel für die hiesige Anwendung nicht eignen.

Aus Abbildung 12 geht hervor, dass dieses Kältemittel ungeeignet ist, da es bei der Verdampfungstemperatur von ca. 20 °C nicht anwendbar ist.

Trotz des Bestrebens ein Kältemittel mit niedrigem Ozon-Abbaupotenzial zu finden, ist R 134a ein Kältemittel mit einem sehr weiten Anwendungsbereich.

Abbildung 13 R134a spez. WP-Prozess

Abbildung R134a Anwendungsbereich, GEA

R 134 a hingegen ist geeignet, daher wird es für nachfolgenden Berechnungen zugrunde gelegt.

Tabelle Enthalpie Berechnung für R 134 a

h1 = 418,5 kJ/kg h2i = 431 kJ/kg h3 = 418 kJ/kg
h4 = 253 kJ/kg h5 = 241,5 kJ/kg h6 = 408 kJ/kg

Formel Berechnung des tatsächlichen Verdichtungszustandes

Dimensionierung der Wärmepumpe

Heizlast

Warmwasserbedarf

„Bei der Warmwasserversorgung durch die Wärmepumpe ist bei ganzjähriger Nutzung ein Zuschlag „…“von 0,25 kW pro Person zu veranschlagen.“ (9)

Auslegungsleistung der Wärmepumpe

Durch den großen Pufferspeicher können Sperrzeiten vernachlässigt werden.

Die Auslegungswärmepumpenleistung beträgt demnach 6,173 kW.

Wärmepumpenauswahl

Es werden zwei Wärmepumpen gegenübergestellt, um herauszufinden, welche Auswirkungen der Gütegrad und die damit einhergehende Überdimensionierung auf die Wirtschaftlichkeit hat.

Tabelle Bruttopreise für Verdichter

Typ Gütegrad bei 50 Hz Bruttopreis
HGX 12P/60[3]-4S 0,5 1393,-
HGX 12P/90-4S 0,55 1486,-
HGX 12P/110-4S 0,56 1554,-
HGX 22P/125-4S 0,63 2181,-
Frequenzumformer EFC[4] 2700,-

WP 12 kW, Gütegrad: 0,63

Es wird ein Hubkolbenverdichter von GEA gewählt. Dieser ist stufenlos regelbar, überdimensioniert, arbeitet aber in Abhängigkeit der Frequenz mit einem Gütegrad von 0,63.

Abbildung Leistungsdaten WP 12 kW (10)

WP 6 kW, Gütegrad: 0,5

Abbildung Leistungsdaten WP 6 kW (10)

Wirtschaftlichkeit der WP

Da die Wärmepumpe wegen des Gütegrades stark überdimensioniert ist stellt sich die Frage, ob sich die Mehrinvestition für den größeren Verdichter amortisiert. Der Energieverbrauch der Verdichter sollte dank dem Frequenzumrichter annähernd gleich sein. Der COP bei einem Gütegrad von 0,5 liegt bei 7,93, bei einem Gütegrad von 0,63 bei ca. 8,8.

Die Gesamtwärmenachfrage durch WW-Bedarf und WW-Verteilung endspricht 4257 kWh/a.

Der Jahresheizenergiebedarf liegt bei ca. 4670 kWh/a.

Die Mehrinvestition durch den größeren Verdichter endspricht nach Tabelle 2 Bruttopreise für Verdichter:

2180 €-1400 € = 780

Somit liegt der Gesamtenergiebedarf der Wärmepumpe bei:

(4257+4670) kWh/a = 8927 kWh/a.

Die Mehrinvestition würde sich nach 23 Jahren statisch rentieren. Bei einer rechnerischen Nutzungsdauer einer Wärmepumpe von 20 Jahren nach VDI 2067 lohnt sich die Mehrinvestition nicht.

Optimierung der Trinkwasserverteilung zugunsten der Wärmepumpe

Die Optimierung soll ein System hervorbringen, das bei höchsten hygienischen und gesundheitlichen Ansprüchen mit den niedrigen Temperaturen der WP funktioniert.

In den 2 WE zum Technikraum (s. rote Markierung in Abbildung 17) wird auf FWS verzichtet (linker Gebäudeteil). Stattdessen wird Zentrale TW-Erwärmung im Puffer benutzt. Dies verringert die Druckverluste in Plattenwärmetauschern. Die Leitungen können kleiner dimensioniert werden, wodurch weite Strecken mit einem Wasserinhalt kleiner 3 Liter versorgt werden können.

Abbildung Grundriss EG

Die rechte WE wird weiterhin mit einer FWS versorgt.

Zentrale TW-Erwärmung

Angestrebt wird eine zentrale TW-Erwärmung im Puffer. Die Verteilung findet mittels Ringleitung, inkl. rückschlagfreier Zirkulation statt. Die Verflüssigung des Kältemittels soll im Puffer realisiert werden. Eventuell wird die Kälte auch genutzt.

TW-Verteilung

Diese neuartige Idee der Trinkwasserverteilung wurde schon 2007 veröffentlicht. Entwickler und Realisatoren sind Robert Krämer und Joachim Zeeh.

Zeeh8WngmitZahlen Es handelt sich um eine Kombination aus Ringleitung und Zirkulation. Dadurch können über zwei minimal dimensionierte Rohrleitungen mit wenig Wasserinhalt große Entfernungen mit zirkuliertem WW versorgen. Vereinfacht gesagt halbieren sich die Volumenströme über beide Leitungswege.

In der Praxis geht das natürlich nicht so symmetrisch, weil reale Gebäude individuellen Ansprüchen entsprechen. Doch ist es IBN gelungen das Konzept auf das MFH Schmaler Wall anzuwenden. Dabei wurden, um die Druckverluste zu minimieren:

  • Der anliegende Versorgungsdruck gemessen
  • Der Zähler, Filter und die Enthärtungsanlage verbessert

Abbildung 18 Ringleitungsprinzip MFH mit Zeeh Speicher

& genauestens berechnet

  • Die Formteile minimiert & meist flexible Rohrleitungen aus Pe X Al verwendet.

Die Zirkulationspumpe wird rückschlagfrei ausgeführt und kann in beide Richtungen durchströmt werden. Diese Zirkulationspumpe verhindert die Stagnation des WW in der Ringleitung und verringert die Ausstoßzeiten der Verbraucher. Bei Anlagenstillstand (keine Entnahme) muss diese im Minutenbereich pumpen, d.h. nach 59.9 min. Somit bleiben die Energiekosten zur Umwälzung gering.

Abbildung DIN 1988-200

Abbildung Ringleitung, linker Gebäudeteil

Abbildung 21 TW, FWS, rechter Gebäudeteil

In Abbildung 20 sind deutlich die beiden parallel verlaufenden Rohleitungen zu sehen, welche die Ringleitung bilden. Der Wasserinhalt jeder Stichleitung inklusive der Ringleitung ist kleiner 3 Liter. Da bei jeder Zapfung die ganze Ringleitung zirkuliert, ist dieses System hygienisch empfehlenswert.

Pufferspeicher

Der Pufferspeicher beinhaltet 2000 l Warmwasser. Der Puffer kann bis zu 90 °C WW speichern, womit 8 Tage TWW-Bedarf gedeckt werden können. Im äußeren Bereich des Pufferspeichers befindet sich eine Rohspirale in der das überhitze Kältemittel von oben nach unten kondensiert. Dieser Kreislauf kann von einem qualifizierten Kältetechniker direkt an die Wärmepumpe angeschlossen werden, bevor diese befüllt wird. Somit kann in der oberen Schicht die Überhitzung zu 100 % genutzt werden. Die Vormischung mittels Dreiwegeventil des Speichers sorgt dafür, dass die Kunststoff-Rohre im Sommer bei Speichertemperaturen von 90 °C bis max. 70 °C belastet werden.

Abbildung 22 Pufferschnitt

Das wenig abgekühlte Zirkulationswasser aus der Ringleitung wird durch ein „Rohr in Rohr-System“ bei geringer Spreizung wieder erwärmt. Dadurch wird ein effizienter Wärmeübergang im Gegenstromprinzip realisiert.

Zusätzlich werden noch eine Rohrspirale für den Heizkreis im mittleren Bereich und eine solare Einspeisung mit Temperaturschichtung von unten eingebaut. Spezielle Leitbleche und eine Trennscheibe sorgen für gute Schichtung.

Überhitzung

Formel Berechnung der Überhitzungsenthalpie und endsprechender TW-Menge

Das entspricht 63,3 l/h. Somit würden in 4,3 Stunden 270 Liter 60 grädiges WW hergestellt.

Ergebnisse

Nachfolgend wird das Ergebnis der monatlichen COP-Berechnung für 8 unterschiedliche Kombinationen von Randbedingungen in Diagrammen dargestellt. Angenommen wird die in Kapitel 4.2.6 simulierte Quelltemperatur in der Einspeiseebene, einmal für die Variante „Wärmeleitfähigkeit Erdreich = Lambda von 2 W/m*K“ und einmal für die Variante Lambda = 1,5 W/m*K. Die Vorlauf-Auslegungstemperatur liegt zwischen 40 °C und 48 °C. Der Gütegrad wird mit 0,5 oder 0,6 angenommen.

Lambda von 2 W/m*K

Lambda von 1,5 W/m*K

Abbildung COP-Diagramme

Mit dem Gütegrad der in Abschnitt 6.1.4.1 gewählten Wärmepumpe von 0,63. Aus dem Kapitel 7.4 Überhitzung geht eine optimierte VL-Temperatur von 40 °C hervor. Die Nutzung des überhitzten Dampfes sorgt trotzdem für genügend TWW und thermische Desinfektion. Daraus ergibt sich für die zwei Erdreichvarianten folgendes Ergebnis:

Abbildung max. COP, VL-Temp=40 °C

Für die in Abschnitt 6.1.4.2 gewählte WP ergibt sich ein COP für die Heizperiode von ca.6.

Abbildung COP bei einem Gütegrad von 0,5

Fazit

Ab Dezember ist unter keiner Annahme der COP von 10 erreichbar, weil die Verluste des Erdreiches an die Umgebung die nötige Quelltemperatur für einen COP von 10 nicht mehr zu Verfügung stellen. Davor kann eventuell der Puffer mit sehr hohen Temperaturen vorsorgen. (ca. 9 Tage) Realistisch ist ein COP von 6-8. Im Vergleich zu herkömmlichen Systeme namhafter Hersteller mit ein COP von ca. 4 ist das immer noch ein sehr gutes Ergebnis.

Die Direktverflüssigung ist hingegen eine wirksame Möglichkeit die Verdampfungstemperatur zu reduzieren und die Überhitzung im Pufferspeicher zu nutzen. Dadurch wird der COP verbessert und Trinkwarmwasserbereitstellung mit geringem Aufwand ermöglicht. Die Kältemittelmenge und der TEWI [5]steigen.

Ebenso die Herabsenkung der Vorlauftemperatur beeinflusst den COP maßgeblich.

Die Überdimensionierung der WP zu Gunsten des Gütegrades rechnet sich zumindest bei den hier betrachteten Verdichtern nicht. (siehe 6.2)

Wie in Abbildung 5 zu erkennen ist sind im Erdreich Temperaturfühler installiert, welche den tatsächlichen Temperaturverlauf im Erdreich über die Jahre aufzeichnen. Sobald sich die Erdreichtemperaturen der Erdreichs eingependelt habe kann also ein Abgleich der Simulation zu den tatsächlichen Temperaturen durchgeführt werden.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 PHPP Nachweisblatt – 5 –

Abbildung 2 Haustechnik Schema – 6 –

Abbildung 3 Bodengutachten, Schichtenaufbau (2) – 7 –

Abbildung 4 Thermische Stoffdaten verschiedener Böden (3) – 8 –

Abbildung 5 Rohrschlangen im Erdreich – 9 –

Abbildung 6 Anlagenschema nach T*Sol Simulationsprogramm – 10 –

Abbildung 7 Energiebilanz T*Sol – 11 –

Abbildung 8 Temperatur des Wärmesees bei unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit des Bodens. – 16 –

Abbildung 9 Kältemittel Kreislauf (6) – 17 –

Abbildung 10 te / tc Diagramm (8) – 21 –

Abbildung 11 R410A spez. WP-Prozess – 22 –

Abbildung 12 R410A Anwendungsbereich, GEA 23

Abbildung 13 R134a spez. WP-Prozess 24

Abbildung 14 R134a Anwendungsbereich, GEA – 25 –

Abbildung 15 Leistungsdaten WP 12 kW (10) – 27 –

Abbildung 16 Leistungsdaten WP 6 kW (10) – 28 –

Abbildung 17 Grundriss EG – 30 –

Abbildung 18 Ringleitungsprinzip MFH mit Zeeh Speicher – 31 –

Abbildung 19 DIN 1988-200 – 31 –

Abbildung 20 Ringleitung, linker Gebäudeteil – 32 –

Abbildung 21 TW, FWS, rechter Gebäudeteil – 32 –

Abbildung 22 Pufferschnitt – 33 –

Abbildung 23 COP-Diagramme – 37 –

Abbildung 24 max. COP, VL-Temp=40 °C – 37 –

Abbildung 25 COP bei einem Gütegrad von 0,5 – 38 –

Formel- und Tabellenverzeichnis

Formel 1 COP – 18 –

Formel 2 Gütegrad – 19 –

Formel 3 isentrope, Verdichterleistung bei tatsächlichen Prüfbedingungen – 19 –

Formel 4 vereinfachte Verdichterleistung – 19 –

Formel 5 Berechnung des tatsächlichen Verdichtungszustandes – 25 –

Formel 6 Berechnung der Überhitzungsenthalpie und endsprechender TW-Menge – 34 –

Tabelle 1 Enthalpie Berechnung für R 134 a – 25 –

Tabelle 2 Bruttopreise für Verdichter – 26 –

Literaturverzeichnis

1. Ingenieure, Verein Deutscher. VDI 4640, Thermische Nutzung des Untergrundes. Düsseldorf : s.n., 2004. VDI 4640.

2. Grimmer, Dipl.-Ing. M. Baugrunduntersuchung mittels Rammkernsondierung. Overrath : GEO Consult, 2014.

3. VDI. 4640, Thermische Nutzung des Untergrundes. Düsseldorf : s.n., 2004. 4640.

4. Dewald, Ulrich. Berechnung Wärmesee. Münsingen : s.n., 2014.

5. Jungnickel, Agsten, Kraus. Grundlagen der Kältetechnik. s.l. : Verlag Technik (1990), 1990. ISBN-10: 3341008063.

6. DIN_EN_13771-1. Kältemittel-Verdichter und Verflüssigungssätze für die Kälteanwendung – Leistungsprüfung und Prüfverfahren – Teil 1: Kältemittel-Verdichter. Berlin : Deutsches Institut für Normung, 2015.

7. Bundesamt, für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle. Wärmepumpen mit Prüfzertifikat des COP-Wertes. Eschborn : s.n., 2014.

8. DIN_EN_12900. Kältemittel-Verdichter – Nennbedingungen, Toleranzen und Darstellung von Leistungsdaten des Herstellers. Berlin : Deutsches Institut für Normung, 2013.

9. Sobotta, Stefan. Praxis Wärmepumpen. Berlin : Solarpraxis AG, 2008. ISBN 978-3-934595-80-4.

10. GEA Bock GmbH. GEA Bock Compressors. [Online] 01. 06 2014. http://vap.gea.com/stationaryapplication/.

11. DIN, Normenausschuss Kältetechnik (FNKä) im. DIN EN 378-1, Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen – Teil 1: Grundlegende Anforderungen, Begriffe, Klassifikationen und Auswahlkriterien. Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin : DIN Deutsches Institut für Normung e. V, August 2012.

    1. Vergleichbares Projekt
    1. der Liefergrad λ ist das Verhältnis des tatsächlich vom Verdichter angesaugten Volumenstroms zum theoretischen Fördervolumenstrom
    1. Diese Zahl entspricht ungefähr der Leistung z.B. 60 entspricht 6 kW, 125 ca. 12,5 kW usw.
    1. Der Frequenzumrichter ist für jeden Verdichter erforderlich
  1. Total equivalent warming impact, umfasst die gesamte Treibhauswirksamkeit eines Stoffes beider Produktion, im Betrieb und bei der Entsorgung (11)

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