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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
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
4Ing.-Büro Prof. Schenk
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
5Ing.-Büro Prof. Schenk
1. Verteiler/SammlerDurchströmungskontrolle an allen EWS:Häufige Ursache für Stagnation: Luft
Prüfen: 1. Volumenstrommesser2. ähnliche Rücklauftemperatur3. Vereisung aller Vorläufe
6Ing.-Büro Prof. Schenk
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
2. Wärmequelle Erdwärmesonde oder -Kollektor
7Ing.-Büro Prof. Schenk
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
2. Wärmequelle Erdwärmesonde oder -Kollektor
8Ing.-Büro Prof. Schenk
3. Ermittlung Solevolumenstrom �� =��������
���������������� ∗������ä� ∗ �����
5. Ausdehnungsgefäß: • Vordruck bei leerer Anlage oder
entkoppelt: statische Höhe + 0,2 bar (mind. 1bar)
• Anlagenfülldruck: Vordruck + 0,3 bar
2. Wärmequelle Erdwärmesonde oder -Kollektor
4. Ermittlung Förderhöhe der SoleumwälzpumpeZiel pges = 4…6 mWS
Filter reinigen Recherche Druckverlust von Verdampfer und „verdächtigen“ Armaturen:
9Ing.-Büro Prof. Schenk
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
2. Wärmequelle Erdwärmesonde oder -Kollektor
10Ing.-Büro Prof. Schenk
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:
2. Wärmequelle Erdwärmesonde oder -Kollektor
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
11Ing.-Büro Prof. Schenk
8. Anschluss Verdampfer:
2. Wärmequelle Erdwärmesonde oder -Kollektor
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
Hochschule München Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk 13
Grundwasser-Wärmepumpenanlage Doppelhaushälfte
WP
Einrohr-Radiatoren-Heizung190 m²
KW
WW
Frischwasser-System
9,4 kW
Grundwasser-Förderbrunnen
Grundwasser-Schluckbrunnen
300 l
0,055 kW
Hochschule München Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk 14
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
16Ing.-Büro Prof. Schenk
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
Grundwasser-Förderbrunnen
Grundwasser-Schluckbrunnen
60 °C
Bsp: EFH 250 m² Heizung + WW
Stromverbrauch: 5.500 oder 9.500 kWh/a
17
Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München
4. Hydraulik: Fehlströmung – Effizienz der Anlage
WP
Grundwasser-Förderbrunnen
Grundwasser-Schluckbrunnen
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
Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München
InlinerEuropa Rückschlagklappe
4. Hydraulik: Fehlströmung – Effizienz der Anlage
WP
Grundwasser-Förderbrunnen
Grundwasser-Schluckbrunnen
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
Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München
4. Hydraulik: Fehlströmung – Effizienz der Anlage
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
4. Hydraulik: Fehlströmung – Effizienz der Anlage
Ing.-Büro Prof. Schenk 20
RLT-Anlage
FB-Heizung2.100 m²
WP 2
93 kW
WP 1
Motorventile schließen sicherer als Rückschlagventile
MM
MM
4. Hydraulik: Fehlströmung – Effizienz der Anlage
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
Ing.-Büro Prof. Schenk
30 °C35 °CPraxis:VorlaufreduzierungoderRücklaufanhebung
35 °C 30 °C
Reihenspeicher Parallelspeicher
25 °C
65 °C
M
40 °CM
WP
6. Wärmeverteilung
23Ing.-Büro Prof. Schenk
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
24Ing.-Büro Prof. Schenk
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
25Ing.-Büro Prof. Schenk
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
27Ing.-Büro Prof. Schenk
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
28Ing.-Büro Prof. Schenk
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
29Ing.-Büro Prof. Schenk
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
Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk Hochschule München
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
33Hochschule München Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk
Mehrfamilienwohnhaus mit optimierter Systemtechnik
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
34Hochschule München Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk
Durchschnittliche Arbeitszahl: ß = 4,5
Stromverbrauch hochgerechnet: 22.500 kWh/aVerbrauchskosten: 3.375 €/a
Jährliche Einsparung: 1.000 € 20.000 €/20a
Mehrfamilienwohnhaus mit optimierter Systemtechnik
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
35Hochschule München Prof. Dipl.-Ing. W. Schenk
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
36Ing.-Büro Prof. Schenk