Optimierung der Jahresarbeitszahl bei bestehenden ... · Wärmequelle Erdwärmesonde oder...

Optimierung der Jahresarbeitszahl bei bestehenden Wärmepumpenanlagen

- Strategie und Beispiele -

1. Leistungszahl – Arbeitszahl

2. Optimierung der Arbeitszahl mit 10 - Punkte-Check –Beispiele

Hochschule München Energie- und Gebäudetechnik80335 Mü[email protected]

1Ing.-Büro Prof. Schenk

Ing.-Büro Prof. Schenk83026 Rosenheimwpeffizienz.de

Definitionen hier:

Leistungszahl COP:

COP =

Arbeitszahl ß:

= Heizleistung [kW]Antriebsleistung [kW]

1. Leistungsaufnahme des Verdichters bei bestimmten Temperaturen: W10/W35, B0/W35, A2/W35

2. Anteilige Leistungsaufnahme der Pumpen zur Durchströmung der WP

Heizarbeit [kWh]Antriebsenergie [kWh]

1. Stromverbrauch Verdichter

2. Stromverbrauch Wärmequellenpumpe

Optimierungsmöglichkeiten der Arbeitszahl:

1. Minimierung der Temperaturdifferenz Verdampfung – Kondensation

2. Minimierung der Hilfsantriebe

3. Hoher COP der Wärmepumpe2

Ing.-Büro Prof. Schenk


Kühlung

Umwälz-pumpen

Regelung

Technischer Speicher

Kombispeicher

Nieder- u. Hoch-

temperaturheizflächen

Trinkwarm-wasser-

bereitung

Wärmepumpe

Wärme-quellen-anlage

Hydraulik u. Fehl-

strömung

Über-wachung

3

1. Datenanfrage und Analyse


Gebäudedaten:1. Baujahr2. Beheizte Fläche3. Heizlast/Kühllast

Anlagedaten:1. Wärmequelle:

1. Erdwärmesondenanlage: Länge, Abstand2. Erdreichkollektor: Fläche, Bauart3. Grundwasser: Verockerung? Wassermengen?4. Luft: kein Luftkurzschluss?

2. Hydraulischer Schaltplan3. Wärmepumpe: Type, Daten4. Systemtemperaturen der Wärmeverteilung5. Einstellwerte zum hydraulischen Abgleich6. Messungen Wärmemengen 7. Messung elektr. Energiemenge/Stromrechnungen; für welche

Verbraucher? Tarif?8. Störungen, Reparaturen, Probleme

Mögliche Ergebnisse:• Arbeitszahl• Untypischer Wärmeverbrauch• Untypischer Stromverbrauch• Zu hoher Stromtarif

• Auslegungsfehler Wärmequelle• Auslegungsfehler Heizleistung• Planungsfehler Hydraulik

2. Wärmequelle Erdwärmesonde oder -Kollektor


1. Verteiler/SammlerDurchströmungskontrolle an allen EWS:Häufige Ursache für Stagnation: Luft

Prüfen: 1. Volumenstrommesser2. ähnliche Rücklauftemperatur3. Vereisung aller Vorläufe


2. Technikraum1. Messung Solekonzentration

Refraktometer: 20 Vol.-% Monoethylenglycol

2. Messung aktueller Soletemperaturenin die und aus der Wärmepumpenach 20 min Laufzeit;

1. Ziel: Eintrittstemperatur:Sommer: min. 8 °C; Winter: min. 0 °C

Temperaturen in die WP bei „Dimensionierung 50 W/m“

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

Maxwerte

Minwerte



4,2

4,3

4,4

4,5

4,6

4,7

4,8

4,9

5,0

5,1

∆T Sole in K

Leistungszahlmessung incl. Sole-UWP

2. Technikraum2. Ziel: t = 3…6 K und Soletemperatur in EWS größer -3° C



3. Ermittlung Solevolumenstrom �� =�ä��

�� ∗��ä� ∗ ��

5. Ausdehnungsgefäß: • Vordruck bei leerer Anlage oder

entkoppelt: statische Höhe + 0,2 bar (mind. 1bar)

• Anlagenfülldruck: Vordruck + 0,3 bar


4. Ermittlung Förderhöhe der SoleumwälzpumpeZiel pges = 4…6 mWS

Filter reinigen Recherche Druckverlust von Verdampfer und „verdächtigen“ Armaturen:


6. Soleumwälzpumpe1. Prüfung Rechtsdrehfeld; Messung: elektrisch, magnetisch

oder „Schraubenzieher“

2. Wirtschaftlichkeitsprüfung turbulente Strömung

32mm Doppel-U-Rohrsonde, 20 % Monoethylenglycol mindestens 1.200 l/h je Erdwärmesonde

40mm Doppel-U-Rohrsonde, 20 % Monoethylenglycol mindestens 1.500 l/h je Erdwärmesonde

Beispiel:Entzugsleistung: 75 kW15 EWSje 100 m

3,96

4,20

4,00

3,80

3,85

3,90

3,95

4,00

4,05

4,10

4,15

4,20

4,25

1,1 m³/h

laminar

1,5 m³/h

turbulent

2,3 m³/h

turbulent

COP incl. Sole-UWP

COP incl. Sole-UWP



7. Soleumwälzpumpe: Dimensionierung prüfen und Wirtschaftlichkeit einer Hocheffizienzpumpe prüfen

12.450 €

1.080 €

- €

2.000 €

4.000 €

6.000 €

8.000 €

10.000 €

12.000 €

14.000 €

MHI 402-1 Stratos 30/1-8

Verbrauchskosten/20a 0,30 €/kWh

MHI 402-1 Stratos 30/1-8

Förderhöhe mWS 9 4

Fördermenge m³/h 7 3

P1 W 830 72

Vollbenutzungsstundenh/a 2.500 2.500

elektrische Energie kWh/a 2.075 180

Verbrauchskosten/a 0,20 € 415 € 36 €

Verbrauchskosten/20a 0,30 € 12.450 € 1.080 €

ideal

ideal

Beispiel:


21 %

Ziel: Verdampfer und Kondensator müssen im Gegenstrom durchströmt werden

GleichstromGleichstrom GegenstromGegenstrom

3.000

3.500

4.000

4.500

5.000

5.500

Gegenstrom Gleichstrom

Stromverbrauch Verdichter [kWh/a]

Stromverbrauch

Verdichter [kWh/a]

Bei Gleichstrom: 3 K tiefere Verdampfungstemperatur

3 K höhere Kondensationstemperatur

Beispiel: Einfamilienhaus

Wärmeverbrauch 18.000kWh/a

Gegenstrom Gleichstrom

Verdampfungstemperatur 0 -3

Kondensationstemperatur 35 38

berechnete Leistungszahl 4,3 3,55

Stromverbrauch Verdichter

[kWh/a] 4.186 5.070


8. Anschluss Verdampfer:


Grundwasser-Wärmepumpenanlage Doppelhaushälfte Rosenheim

Bj.: 1984Wohnfläche: 190 m²Einrohrheizung

Hochschule München Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk 12

Hochschule München Prof. Dipl.-Ing. W.

Schenk13

Grundwasser-Wärmepumpenanlage Doppelhaushälfte Rosenheim


Grundwasser-Wärmepumpenanlage Doppelhaushälfte

WP

Einrohr-Radiatoren-Heizung190 m²

KW

WW

Frischwasser-System

9,4 kW

Grundwasser-Förderbrunnen

Grundwasser-Schluckbrunnen

300 l

0,055 kW


Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1

Le

istu

ng

sza

hl:

He

izle

istu

ng

/Le

istu

ng

sa

ufn

ah

me

V

erd

ich

ter

+ P

um

pe

el. Leistung Pumpe Wärmequelle

Hilfsenergie für Wärmequelle – Effizienz der Anlage

15

P1 = 550 W

Wird zu 90 %eingesetzt

P1 = 1.000 W

Kommt vor

P1 = 50 W

Mehrverbrauchder Anlage:

38 %

69 %

Bsp.:Heizleistung WP = 9,4 kWCOP = 6,5

TWU4.02-03TWU4.02-04

3. Wärmepumpe


1. Kältemittelmangel? 1. Schauglas: blasenfrei nach spätestens 2 Minuten2. Öl am Kältekreislauf bzw. Boden: meist Kältemittelverlust3. Messung Unterkühlung

2. Ermittlung �� =�� [��]

�� !�� "�� #��$�� [��]

• Heizleistung: fest installierter oder mobiler Heizleistungsmesser

• Elektrische Leistung: mobile Leistungsmessung oder EVU-Zähler

2,81 2,86 2,72

4,8 4,7 4,7

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

1 2 3

Messung COP ohne

Hilfsantriebe

COP Herstellerangabe bei

Betriebstemperaturen

213.523 €

125.000 €

- €

50.000 €

100.000 €

150.000 €

200.000 €

250.000 €

vor Optimierung nachher

Verbrauchskosten 20 a 0,3 €/kWh

41 % = 88.500 €

Beispiel: 19 Reihenhäuser

WP8,4 kW



60 °C

Bsp: EFH 250 m² Heizung + WW

Stromverbrauch: 5.500 oder 9.500 kWh/a

17


4. Hydraulik: Fehlströmung – Effizienz der Anlage

WP



Wärme für Raumheizung

60 °C

55 °C

30 °C

z.B. 40 °C

Nutzung von Hochtemperaturwärme auf niedrigem Temperaturniveau

Rückschlagventil defekt oder nicht vorhanden

18


InlinerEuropa Rückschlagklappe


WP



Warmwasserbereitungt WW = 50 °C nicht möglich obwohl

t Vorlauf, Wärmepumpe = 65 °C50 °C

65 °C

z.B. 30 °C

Energiekosten: 1.080 €/a

statt: 1.860 €/a

fehlerfrei

hydraulischer

Fehler

Stromverbrauch

Anlage [kWh/a] 5.500 9.500

-

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

10.000

Stromverbrauch

Anlage [kWh/a]

73 %

Hochtemperaturwärme wird auf eine niedrigere Temperatur herunter gemischt

Rückschlagventil defekt oder nicht vorhanden

19



Volumenstrom: 5,2 m³/hLeckagevolumenstrom :0,4 m³/h

RLT-Anlage

FB-Heizung2.100 m²

WP 2

93 kW

WP 1

Fehlströmung:

Verdampfereintrittstemperatur tiefer als Erdwärmesondentemperatur

Evtl. keine turbulente Strömung in Erdwärmesonde

4 °C

-4 °C

0 °C

-4 °C


Ing.-Büro Prof. Schenk 20

RLT-Anlage

FB-Heizung2.100 m²

WP 2

93 kW

WP 1

Motorventile schließen sicherer als Rückschlagventile

MM

MM


Ing.-Büro Prof. Schenk 21

WP WPWP

35 °C 35 °C40 °C

5. Technischer Speicher, Kombispeicher

2.000

2.200

2.400

2.600

2.800

3.000

3.200

3.400

3.600

W10/W35 W10/W40

Stromverbrauch

Verdichter [kWh/a]

18 %

22


30 °C35 °CPraxis:VorlaufreduzierungoderRücklaufanhebung

35 °C 30 °C

Reihenspeicher Parallelspeicher

25 °C

65 °C

M

40 °CM

WP

6. Wärmeverteilung


1. Hydraulischer Abgleich• Nach Berechnung• Zumindest ähnliche

Rücklauftemperaturen

2. Räume mit höchster Temperaturanforderung (Heizwasser) optimieren1. Wärmeschutz 2. Volumenstrom messen (Rücklauftemperatur), ggf. erhöhen3. Heizflächen vergrößern, Wandheizung, Gebläsekonvektor, sep. elektrische

Ergänzungsheizung (zeitlich gesteuert)

anschließend Heizkurve absenken

7. Trinkwarmwasserbereitung


1. Dimensionierung Wärmetauscher prüfen

2. Solltemperatur so tief wie möglich: Abstimmung mit Komfortanspruch und Anforderungen DVGW 551

3. Möglichst seltene Freigabe: Komfort1. Platzierung des Fühlers „möglichst weit“ oben oder2. Freigabezeit einschränken

4. Bei geringem Bedarf: dezentral elektrisch

innenliegender Glattrohr-wärmetauscher

außenliegender Platten-wärmetauscher

Frischwassersystem Platten-WT

65 °C

60 °C

63 °C

58 °C

62 °C

25 °C

60 °C

10 °C65 °C

60 °C

65 °C

60 °C

60 °C 60 °C

60 °C

65 °C

60 °C

10 °C

FrischwassersystemInnen liegender WT

0,2 m²Glattrohr-WT/kW

WP

35 °C 30 °C

30 °C

t

Bei Wärmepumpen:

1. Hydraulischer Abgleich

2. Einstellung der Rücklauftemperatur

3. Optimierung der Heizkurve nach

unten; keine Sicherheitszuschläge

4. Keine Nachtabsenkung

8. Regelung


15

20

25

30

35

40

45

-16 0 18

optimal

häufige Einstellung

10 K zu viel

Beispiel: Heizlast 100 kW

Wärmeverbrauch 200.000 kWh/a

B0/B35 B0/W45

Leistungszahl 4,5 3,4

Stromverbrauch

Verdichter [kWh/a] 44.444 58.824

Verbrauchskosten 20

Jahre, 30 Ct/kWh 266.667 € 352.941 €

Einsparung 24%

86.275 € - €

50.000 €

100.000 €

150.000 €

200.000 €

250.000 €

300.000 €

350.000 €

400.000 €

B0/B35 B0/W45

Verbrauchskosten

20 Jahre, 30 Ct/kWh

86.275 €/20a

8. Regelung - Vorgehen beim Einstellen

26Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München

Bsp: -16 °C Vorlauf: 50 °C+18 °C Vorlauf 35 °C

Einstellung Heizkurve: -16 °C Rücklauf: 43 °C+18 °C Rücklauf: 28 °C

Temperaturspreizung: 7 K

-20 °C -16°C

1

2

5

18 °C

1

3

4

6Einstellung: tR = 40 °CVerschiebung: 5 K

1 x Drücken = 1K1. Balken: 1 Kweitere geschlossene Balken: 2 K


Mit Kaltwasserpuffer steigt die Arbeitszahl von 10 auf 42

freie Kühlung

Kaltwasserpuffer ohne mit

P1 Pumpen kW 4 4

Betriebsstunden h/a 8.760 2.000

Strombedarf kWh/a 35.040 8.000

Energiekosten €/a 7.008 1.600

Arbeitszahl 9,6 41,9

1. Kompressionskälteerzeugung vermeiden1. Großflächige direkt durchströmte Kühlregister (Lüftung)2. Wenn Trennwärmetauscher: obere und untere Grädigkeit max. 2 K3. „24 Stunden-Kühlung“ mit hoher Kaltwassertemperatur

2. Laufzeit Sole- und Kaltwasserpumpen kontrollieren

3. Serverkühlung mit freier Kühlung

9. Kühlung

WP

BTK200 kW

Server20 kW

Beispiel: Bürogebäude

BTK kW 200

Vollbenutzungsstunden h 800

Kältebedarf kWh/a 160.000

Serverkühlung kW 20

Vollbenutzungsstunden h 8.760

Kältebedarf kWh/a 175.200

Summe kWh/a 335.200

Strombedarf kWh/a 111.733

Energiekosten €/a 27.933

M

10. Umwälzpumpen


UPS 32-80 Magna 32-60

Förderhöhe mWS 2,38 2,38

Fördermenge m³/h 4,7 4,7

P1 W 164 72

Vollbenutzungsstunden h/a 6.000 6.000

elektrische Energie kWh/a 984 432

Verbrauchskosten/a 0,20 € 197 € 86 €

Verbrauchskosten/20a 0,30 € 5.904 € 2.592 €

5.904 €

2.592 €

- €

1.000 €

2.000 €

3.000 €

4.000 €

5.000 €

6.000 €

7.000 €

UPS 32-80 Magna 32-60

Verbrauchskosten/20a 0,30 €/kWh

1. Überprüfung der Einstellung2. Ggf. Wirtschaftlichkeitsprüfung von Hocheffizienzpumpen

11. Dokumentation/Überwachung


1. Logbuch: 1. Einstellungsänderungen2. Wartungen, Reparaturen

2. Ermittlung Arbeitszahl monatlich, dann jährlich Excel-Datei

DatumZähler 1

KWh

Zähler 2

KWh

Zähler 3

KWh

Wärmemen

genzähler

MWh

Vorlauf t °CBetriebs-h

WP

Schaltunge

n

WP

Arbeitszahl

19.11.2012 20877,0 3686,1 47830,4 3,89

26.11.2012 21125,4 3708,8 47843,1 5,19 5,23

04.12.2012 21636,6 3737,3 47869,6 7,92 5,34

10.12.2012 22137,2 3759,9 47894,5 10,47 5,09

17.12.2012 22633,1 3786,3 47920,2 13,15 5,40

24.12.2012 22965,4 3821,3 47941,0 15,13 5,96

02.01.2013 23404,2 3874,5 47969,5 17,83 6,15

07.01.2013 23645,3 3907,4 47985,6 19,31 6,14

14.01.2013 24177,0 3951,0 48017,7 22,41 284 1293 5,83

21.01.2013 24697,7 3994,3 48049,2 25,45 33 379 1663 5,84

28.01.2013 25202,0 4039,6 48078,6 28,28 32 473 1796 5,61

05.02.2013 25569,0 4087,6 48103,0 30,51 6,08

11.02.2013 25983,9 4125,6 48128,4 32,97 615 2619 5,93

18.02.2013 26414,0 4168,9 48155,6 35,53 694 3045 5,95

25.02.2013 26827,5 4211,2 48182,3 38,00 5,97

04.03.2013 27215,1 4253,5 48207,7 40,34 841 3971 6,04

11.03.2013 27470,3 4295,8 48225,7 41,9 6,11

18.03.2013 27845,2 4338,1 48250,5 44,13 5,95

25.03.2013 28241,6 4380,9 48276,3 46,49 5,95

02.04.2013 28654,4 4426,6 48302,5 48,82 1102 5888 5,64

08.04.2013 28901,5 4465,6 48321,3 50,41 1151 6363 6,43

15.04.2013 29054,4 4505,0 48333,3 51,36 1180 6736 6,21

23.04.2013 29115,9 4545,9 48339,5 51,7 1192 7065 5,53

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

Arb

eits

zahl

ß

Datum

Wärmepumpenanlage mit 6 Erdwärmesonden a 150 m

Erdwärmesondenanlage Kempten

30Hochschule München Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk

31

Hydraulik für maximale Arbeitszahl

Ergänzungsheizung

Luftab-scheider

Schwingmetall-Topfelemente + Schalldämm-Unterlage

Schwebekörper-durchfussmengen-messer

Schwingungs-entkopplung

hygienisches Frischwasser-SystemUnterputzstation

Puffer

t

Schwingungs-entkopplung

t

technischer Speicher

wasserdichteMauerdurchführung

HydraulischerAbgleich durch•Differenzdruckregler•Voreinstellung

Überall Fußbodenheizungggf. WandheizungMax. Vorlauftemperatur: 35 °CTemperaturspreizung: 5K

Taupunktregelung

zusätzlicher Badheizkörper

+ Fußbodenheizung+ zusätzlicher Badheizkörper+ hygienisches Frischwasser-

system+ Kühlen aller Etagen


32

Durchschnittliche Arbeitszahl: ß = 3,5

Stromverbrauch: 28.770 kWh/aVerbrauchskosten: 4.350 €/a = 3,53 €/m²/a Keine Meßkosten

Mehrfamilienwohnhaus mit optimierter Systemtechnik

3,2 3,2 3,2

3,6 3,7

2,0

3,43,6 3,6

2,4

3,6 3,7 3,6

2,8

0,00,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

Hochschule München Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk



3 Jahren nach Inbetriebnahme wurden Optimierungsmöglichkeiten festgestellt:

1. Ca. Monatliche eine Störung: Ursache: zu geringer Vordruck MAG-Sole

2. COP der Wärmepumpe bei B0/W35: 4,1

3. Kein hydraulischer Abgleich1. Für Fußbodenheizung2. Für Heizkörper!

4. Heizkurve war zu hoch eingestellt

5. Fehlende Heizgrenztemperatur: Wärmepumpe heizt auch bei tAUL > 18 °C

6. Keine turbulente Strömung in den Erdwärmesonden

15

20

25

30

35

40

45

-16 0 18

nach Optimierung

vorher

Bei 20 % Monoethylenglycol: 1200 l/je EWS


Durchschnittliche Arbeitszahl: ß = 4,5

Stromverbrauch hochgerechnet: 22.500 kWh/aVerbrauchskosten: 3.375 €/a

Jährliche Einsparung: 1.000 € 20.000 €/20a


4,7 4,6

4,2 4,24,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

Mrz. 11 Apr. 11 Mai. 11 Jun. 11 Mittelwert

Arbeitszahl

Arbeitszahl

Erdwärmesondenanlage Kempten


0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

Vor Sanierung nach Sanierung

CO2-Emissionen

CO2-Emissionen

vgl. PKWEinsparung 4 t/aVerbrauch 6 l/100 kmCO2-Emissionen 0,160 kg/kmentspricht 23.125 km/a

Zusammenfassung

1. Mit dem 10-Punkte-Check werden Energieeinsparungen von 20… 50 % erreicht

2. In der Regel lohnt es sich, alle Punkte zu prüfen

3. Die Arbeitszahl der Wärmepumpenanlage sollte anfangs monatlich und ab dem 2. Jahr jährlich dokumentiert und gegebenenfalls optimiert werden


Optimierung der Jahresarbeitszahl bei bestehenden ... · Wärmequelle Erdwärmesonde oder...

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