Analyse der Betriebsperformance von Wärmepumpen für die Wärme- und Kälteversorgung von Nichtwohngebäuden


Motivation
Analysen zur Zusammensetzung des zukünftigen Gesamtenergiesystems Deutschlands mit dem Ziel möglichst niedriger Gesamtkosten zeigen, dass elektrische Wärmepumpen eine zentrale Rolle bei der Wärmeversorgung spielen werden. Insbesondere Wärmepumpen in größerem Leistungsbereich für die Versorgung von Büro- und Gewerbegebäuden haben großes Potenzial durch eine abgestimmte Interaktion mit dem Versorgungsnetz, eine Lastverschiebung durch das effiziente Erzeugen und Zwischenspeichern von Wärme und Kälte zu ermöglichen und damit einen Beitrag zur Netzstabilität zu leisten.

Ziele
Auf Basis von mehrjährigen Messkampagnen bewerten wir die Energie- und Effizienzperformance sowie das Betriebsverhalten großer Wärmepumpenanlagen mit einem thermischen Leistungsbereich von 40 bis 300 kWtherm.

Im Rahmen des Monitoringprogramms „Energieoptimiertes Bauen EnOB“ des BMWi wurden die Wärmepumpenanlagen über mehrere Betriebsjahre detailliert vermessen. Dabei wurden Vor- und Rücklauftemperaturen der Wärmequellen und -senken sowie der Wärmepumpe, Volumenströme, Wärme- und Kältemengen sowie der elektrische Energiebezug für die Kompressoren und die Hilfsaggregate mit hochwertigen Messgeräten erfasst und zusammen mit Betriebssignalen und Ventilstellungen zeitlich hochaufgelöst aufgezeichnet. In der standardisierten Auswertung wurden die folgenden Bereiche analysiert: Energie und Effizienz, Taktverhalten, Temperaturniveaus und dynamisches Temperaturverhalten sowie Speichernutzung. In diesem Artikel wird die Energie- und Effizienzanalyse vorgestellt. Diese erfolgte für drei definierte Bilanzräume:

Ergebnisse
Niedrigenergiegebäude mit einem reduzierten Leistungs- und Energiebedarf für Heizung und Kühlung ermöglichen den effizienten Einsatz von natürlichen Umweltwärmequellen und –senken in Kombination mit Wärmepumpen. Im Winter wird das natürlich vorhandene Temperaturniveau des Erdreichs durch eine Wärmepumpe noch geringfügig und damit wirtschaftlich günstig  erhöht. Im Sommer wird das Erdreich bzw. das Grundwasser direkt als natürliche Umweltwärmesenke zur freien Kühlung der Gebäude genutzt. Erfordert das Gebäude und die Nutzung eine erhöhte Kühlleistung, kann Klimakälte durch eine reversible Wärmepumpe energieeffizient bereitgestellt werden.

Für die Wärmepumpenanlagen in den untersuchten Gebäuden (Wärmepumpe mit Verdichter und Primärpumpe) werden Jahresarbeitszahlen von 3 bis 6,1 kWhtherm/kWhel (Erdreich) bzw. 3,0 kWhtherm/kWhel (Grundwasser) erreicht. Sowohl die Primärpumpe als auch die Vorlauftemperatur des sekundärseitigen Übergabesystems haben einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungs- und Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpe. Die Nutzung von erdreichgekoppelten, reversiblen Wärmepumpen zur Kälteerzeugung stellt ein effizientes und nachhaltiges Konzept zur Gebäudekühlung dar. Auch hier bedingen die relativ hohen Vorlauftemperaturen zur Kühlung von 16 bis 20 °C eine gute Energieeffizienz. Messtechnisch wurden in Projekten Jahresarbeitszahlen von 4,8 bis 5,8 kWhtherm/kWhel nachgewiesen.
Weiterführende Arbeiten beschäftigen sich damit, angepasste Regelungs- und Betriebsführungskonzepte zu entwickeln und zu testen, indem der Betrieb von elektrischen Wärmepumpen und Kältemaschinen netzdienlich gestaltet wird.

Fotos / Grafiken

   
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 Abb. 2
 Abb. 3 Abb. 4

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