Integrierte Auslegung

Die Reduktion von Treibhausgasemissionen zur Minderung der Erdtemperatur-erhöhung ist das gemeinsame Ziel der Vertragsparteien des Pariser Klimaabkommens [1]. Im Zuge der Ratifizierung des Abkommens hat die deutsche Bundesregierung den Klimaschutzplan 2050 verabschiedet. Dieser sieht sektorspezifische Maßnahmen zur Minderung der Treibhausgasemissionen vor [2]. Sämtliche Maßnahmen zur Minderung der Emissionen müssen „alle drei Dimensionen (Ökologie, Ökonomie und Soziales)“ [2, S. 6] der Nachhaltigkeit berücksichtigen.

Für den Gebäudesektor, welchem anteilig etwa 30 % der Treibhausgasemissionen in Deutschland zugeordnet werden können, wird bis 2050 ein „nahezu klimaneutraler Gebäudebestand“ [2, S. 40] gefordert. Neben kostenintensiven Sanierungsmaßnahmen ist eine „schrittweise Abkehr von fossilen Heizungssystemen“ [2, S. 43] vorgesehen. Eine Alternative zu fossilen Heizsystemen ist die elektrisch betriebene Wärmepumpe (WP). Diese nutzt Wärme der Umgebung und stellt diese durch Zufuhr von elektrischer Energie auf einem höheren Temperaturniveau für Heizsysteme bereit. Während die Absatzzahlen bei Neubauten kontinuierlich steigen, ist der Durchbruch im Gebäudebestand bisher gehemmt [3, 4]. Allerdings ist gerade dieser Bereich durch die jahrzehntelange Gebäudenutzung [2] und einer Neubaurate von nur 0,85 % [5] zur Erreichung des klimaneutralen Gebäudebestands elementar. Folglich muss die Attraktivität der WP für die Anwendung in der Gebäudenachrüstung gesteigert werden, um den Transformationsprozess des Sektors zu forcieren.

In der Gebäudenachrüstung sind primär Luft-/Wasser-Wärmepumpen aufgrund des geringen Installationsaufwands und ausbleibender Genehmigungsverfahren eine vielversprechende Alternative [6, 7]. Aktuell übersteigen jedoch die Investitionskosten die eines Gas-Brennwertgerätes noch deutlich [7]. Weiterhin führen hohe Strom- und niedrige Gaspreise zu teils höheren Betriebskosten [8]. Somit muss die Wirtschaftlichkeit sowohl hinsichtlich der Investitionen, als auch Betriebskosten der WP gesteigert werden. Alle Möglichkeiten der Steigerung müssen dabei im Rahmen der Nachhaltigkeitsstrategie von Deutschland hinsichtlich sozialer und ökologischer Implikationen bewertet werden [2].

 

Auslegung von Wärmepumpensystemen

Die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe wird maßgeblich durch die Auslegung des Wärmepumpensystems (WPS) vorgegeben. Während die Investitionskosten durch die Auslegungsgröße gegeben sind [9], resultieren die Betriebskosten aus dem Strombezug zur Wärmebereitstellung. Bei gebäudespezifischer Wärmeleistung ist der Strombezug im Betrieb maßgeblich von der Gesamteffizienz des Systems abhängig. Eine suboptimale Auslegung kann durch Teillast- und Startverluste die Gesamteffizienz verringern [10, 11]. Dies mindert das Gesamtpotential der Wärmepumpe hinsichtlich einer nachhaltigen Wärmeversorgung von Wohngebäuden.

In gängigen normativen Auslegungsverfahren nach VDI 4645 [12] und DIN EN 15450 [13] ist eine sequenzielle Auslegung von bivalent monoenergetischen WPS, speziell der Systemkomponenten Wärmepumpe, Heizstab (HS), Pufferspeicher (PS), Trinkwarmwasserspeicher und Regelung, festgelegt [9, 12, 13]. Genutzt werden in diesen Verfahren vereinfachte Heuristiken, welche die Deckung der Bedarfe von Heiz- und Trinkwarmwasser sicherstellen sollen. Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten werden nicht betrachtet [9]. Jedoch weisen unterschiedliche Studien entgegen dieser Vereinfachung nach, dass die Wechselwirkungen der Systemkomponenten einen erheblichen Einfluss auf die kostenoptimale Auslegung und damit auch den Betrieb von WPS haben. Zum Beispiel betrachtet Dongellini et al. [14] den Einfluss unterschiedlicher Bivalenztemperaturen auf den Primärenergiebedarf, die Jahresarbeitszahl sowie die Anzahl Schaltzyklen für bivalente WPS. Empfohlen wird in der Fallstudie die Dimensionierung der Wärmepumpe auf die Hälfte des maximalen Wärmebedarfs. Bagarella et al. [10] stellen heraus, dass für drehzahlkonstante Wärmepumpen und den Pufferspeicher Trade-Offs bezüglich Auslegungsgröße und Effizienz vorliegen. Ebenfalls wird die Enteisung des Verdampfers in der Modellierung berücksichtigt. Diese dient in Liang et al. [15] als Basis für ein neues Auslegungsverfahren auf Kältekreisebene, welches die Reduktion der Verdampferleistung in Folge möglicher Vereisung berücksichtigt.

Ebenen von WPS und gegenseitige Einflüsse

Neben diesen in der Literatur diskutierten Wechselwirkungen haben die Betriebsgrenzen der Wärmepumpe, welche von der Wahl des Kältemittels (KM) und des Kältekreislaufs abhängen, sowie die thermische Desinfektion von Legionellen im Trinkwarmwasser einen Einfluss auf das Systemverhalten von WP und HS. Letzteres hängt weiter von unsicheren, standortabhängigen Wetterdaten sowie dem thermischen Komfort des Nutzers ab. Diese Überlegungen sollen anhand der Darstellung in Bild 1 erläutert werden.

Die Dimensionierung von WP und HS hängt neben den Wärmebedarfen von dem geforderten Vorlauftemperaturniveau zur Wärmebereitstellung ab. Die maximalen Vorlauftemperaturen einer Standard-WP mit dem KM R410A sind dargestellt. Gestrichelt ist angedeutet, dass beispielsweise die Verwendung von R32 andere Betriebsbereiche impliziert. Ähnliches gilt für weitere Kältemittelkreisläufe. Die Wahl des KM hat ökologische Implikationen. Der genaue Verlauf der einzelnen Temperaturniveaus hängt zusätzlich von den Teilsystemen Verteilung, Regelung, Nutzerverhalten und dem Dämmstandard ab. Die Erreichung der Temperaturniveaus ist für den thermischen Komfort des Nutzers unabdingbar. Oben abgebildet ist die Eintrittswahrscheinlichkeit p einzelner Außentemperaturen für verschiedene Standorte und Wetterdaten. Die Effizienz der WP hängt also von dem gewählten KM, Kältemittelkreislauf, den Außentemperaturen und anderen Teilsystemen ab. Somit wird die nachhaltige Auslegung von WPS von den dargestellten vertikalen und horizontalen Ebenen beeinflusst.

Alle genannten Wechselwirkungen finden aktuell in keinem bekannten Auslegungsverfahren Berücksichtigung. Um das Potential von Luft-/Wasser-Wärmepumpen für die Gebäudesanierung fundiert bewerten zu können, ist eine Methode notwendig, welche unter Beachtung multipler Ziele und Systemebenen ein technisches System nachhaltig gestalten kann. Eine eben solche Methode ist die systematische Prozessintensivierung der Verfahrenstechnik [16]. Diese hat zum Ziel, den Einsatz von Ressourcen zur Bereitstellung eines Produktes zu reduzieren.

 

Integrierte Auslegung von Wärmepumpensystemen durch Prozessintensivierung

Entsprechend den genannten Herausforderungen resultiert die auf WPS angepasste Methodik der systematischen Prozess-intensivierung (SPI) in Bild 2. SPI nach Lutze wird als Verfahren mit fünf Schritten zur Prozessverbesserung definiert. Die Verbesserung basiert dabei auf Modellen, Heuristiken und Optimierungsschritten sowie Experimenten zur Validierung. Angewandt in der Gebäudetechnik konnte die SPI ebenfalls erfolgreich zur Auslegung von Wärmepumpensystemen eingesetzt werden [17].

Die Grafik der Lösungsraumreduktion wird entsprechend den Potentialen der regenerativen Energien angepasst [18]. Basierend auf unsicheren Szenarien (Standort, Wetter, Gebäude, Nutzer) wird das Optimierungsproblem definiert (Schritt 1). Dieses beschreibt die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von WPS bei gleichzeitiger Minimierung der Emissionen und Einhaltung sämtlicher sozialer Aspekte. In Schritt 2 können gültige Komponenten zur Erreichung der Zielstellung gewählt werden. Damit wird der Lösungsraum systematisch von allen theoretischen auf die technischen Lösungen reduziert. Wie eingangs diskutiert beinhaltet das für eine nachhaltige Gebäudeversorgung ein Austausch von konventionellen Technologien durch die Wärmepumpe. Im dritten Schritt werden die technischen Lösungen auf die tatsächlich kaufbaren, ökonomischen Lösungen reduziert. Hierzu müssen Modelle erstellt und zur Validierung der Modelle Experimente geplant werden. Speziell für die optimale Auslegung von WPS bedeutet das die Formulierung von Modellen für das KM, den Kältemittelkreislauf, den Betriebs-Envelope, Randbedingungen zur thermischen Desinfektion und die Ver-/Enteisung des Verdampfers. In Schritt 4 werden die möglichen Superstrukturen beschrieben. Damit wird der ökonomische Lösungsraum auf den mathematisch lösbaren Lösungsraum reduziert. Innerhalb dieses Lösungsraum findet der Auslegungsoptimierer die optimale Lösung für eine dedizierte Problemstellung. Diese Lösung kann dann im Experiment aufgebaut werden, um Experimente zur Validierung der Modelle durchführen zu können.

 

Erste Erkenntnisse der systematischen Prozess-intensivierung

Im Rahmen erster Studien [17] konnte gezeigt werden, dass die systematische Prozessintensivierung erfolgreich für WPS angewendet werden kann. Die Intensivierung von WPS für unterschiedliche Szenarien hatte dabei wiederkehrende Muster. Zum Beispiel wurden Wärmepumpen entgegen des Vorschlags in DIN EN 15450 tendenziell eher monovalent als bivalent ausgelegt. Der Heizstab dient in den durchgeführten Studien, um die Vereisung zu unterstützen oder außerhalb des Betriebs-Envelopes die nötige Restwärmeleistung aufzubringen. Als Kältemittel wurden häufig Kohlenwasserstoffe wie Propan (R290) synthetischen Kältemitteln vorgezogen. Zur Erreichung von hohen Vorlauftemperaturen, z.B. für die thermische Desinfektion, wurden oftmals Kältemittelkreisläufe mit Dampfeinspritzung gewählt. Diese Erkenntnisse gilt es nun weiter zu validieren und gleiche Tendenzen in Experimenten nachzuweisen.

Zusammenfassend ermöglicht die angewandte Methodik der SPI, die komplexen Wechselwirkungen in der nachhaltigen Auslegung von WPS effizient zu berücksichtigen und zu bewerten. Damit diese Bewertungen den aktuellen Transformationsprozess hin zu einer nachhaltigen Wärmeversorgung fundiert begleiten können, sind jedoch weiterführende Arbeiten in drei Bereichen notwendig.

(1) Modellannahmen

und Parameter validieren:

Die Durchführung von weiteren Experimenten ist essentiell für die Belastbarkeit der abgeleiteten Aussagen. Diese werden aktuell im Rahmen eines Infrastrukturprojekts im „Urban Energy Lab 4.0“-Kältemittellabor vorbereitet [19]. Dieses Labor beinhaltet einen Verdichterprüfstand zur personenlosen Vermessung von Kältemittelverdichtern, einen Hardware-in-the-Loop-Prüfstand für Wärmepumpensysteme in Einfamilienhäusern und ein übergeordnetes Sicherheitssystem für den Umgang mit brennbaren Kältemitteln wie Propan.

(2) Systemregleranalyse:

Das aktuelle Systemreglermodell basiert auf Heuristiken aus der Literatur. Reale Systemregler sind der Öffentlichkeit unzugänglich. Untersuchungen zeigen, dass die Optimierungsergebnisse stark sensitiv hinsichtlich dieses Modelles sind. Somit wird ein detailliertes Verständnis dieses Teilsystems notwendig. Neben der Implementierung eines realen Systemreglers am HiL-Prüfstand wird die detaillierte Betrachtung der Betriebsoptimierung als nächster Schritt untersucht.

(3)  Andere Wärmequellen:

Drittens wird in dieser Arbeit die SPI von WPS auf die Auslegung von bivalent monoenergetischen Luft-/Wasser-WPS angewandt. Die Einbindung weiterer Wärmequellen, z.B. von Sole-/Wasser-WP, wird notwendig um das Potential der WP-Technologie als solche zu bewerten.

Quellen

[1] Nations, United: Paris Agreement. //eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/PDF/?uri=CELEX:22016A1019(01)&from=DE:https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/PDF/?uri=CELEX:22016A1019(01)&from=DE, Version: 2015. – Zuletzt aufgerufen am 21. Dezember 2020 [2] Bundesregierung Deutschland: Klimaschutzplan 2050. (2016), November 2016. [3] Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie: Gesamtbestand zentrale Wärmeerzeuger 2019, //www.bdh-koeln.de/fileadmin/user_upload/Pressegrafiken/Gesamtbestand_Waermeerzeuger_2019_DE.pdf:https://www.bdh-koeln.de/fileadmin/user_upload/Pressegrafiken/Gesamtbestand_Waermeerzeuger_2019_DE.pdf, Version: 2020 – Zuletzt aufgerufen am 21. Dezember 2020 [4] Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V.: Wärmepumpenabsatz 2019: Leichtes Wachstum bei schwungvollem Start und zunehmender Zurückhaltung. //www.waermepumpe.de/presse/pressemitteilungen/:https://www.waermepumpe.de/presse/pressemitteilungen/ – Zuletzt aufgerufen am 21. Dezember 2020 [5] Bürger, Dr V.; Hesse, Dr T.; Palzer, Dr A.; Köhler, Benjamin; Herkel, Sebastian; Engelmann, Dr P.; Quack, Dr D.: Klimaneutraler Gebäudebestand 2050 – Energieeffizienzpotenziale und die Auswirkungen des Klimawandels auf den Gebäudebestand (2017). [6] Albers, Karl-Josef (Hrsg.): Recknagel - Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik 2017/2018: einschließlich Trinkwasser- und Kältetechnik sowie Energiekonzepte. 78. Auflage, München: DIV Deutscher Industrieverlag, 2017. – ISBN 978–3–8356–7331–1 [7] Heizung.de: Wie viel kann eine neue Heizung kosten? //heizung.de/heizung/wissen/wie-viel-kann-eine-neue-heizung-kosten/:https://heizung.de/heizung/wissen/wie-viel-kann-eine-neue-heizung-kosten/, Version: 0200 – Zuletzt aufgerufen am 21. Dezember 2020 [8] Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V.: BWP-Branchenstudie 2015 – Szenarien und politische Handlungsempfehlungen. 2015. – Zuletzt aufgerufen am 21. Dezember 2020 [9] Vering, Christian; Brinkmann, Katharina; Maier, Laura; Lauster, Moritz; Müller, Dirk: Vergleich der Jahresarbeitszahlen normativ ausgelegter Wärmepumpensysteme, 2019 [10] Bagarella, G.; Lazzarin, R.; Noro, M.: Sizing strategy of on–off and modulating heat pump systems based on annual energy analysis. In: International Journal of Refrigeration 65 (2016), Mai, 183–193. //dx.doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2016.02.015:http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2016.02.015 – DOI 10.1016/j.ijrefrig.2016.02.015. [11] Vering, Christian ; Höges, Christoph ; Nürenberg, Markus ; Müller, Dirk: Design of Heat Pump Systems Considering Operation Dynamics. In: Eingereicht bei: 13th IEA Heat Pump Conference 2021. Jeju, South Korea, 2020 [12] Verein Deutscher Ingenieure e.V. (Hrsg.): VDI 4645 Blatt 1 - 2018-03 – Heizungsanlagen mit elektrisch angetriebenen Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern - Planung, Errichtung, Betrieb - Schulungen, Prüfungen, Qualifizierungsnachweise, 2018 [13] Deutsches Institut für Normung e.V. (Hrsg.): DIN EN 15450 Heizungsanlagen in Gebäuden – Planung von Heizungsanlagen mit Wärmepumpen; Deutsche Fassung EN 15450:2007, 2007 [14] Dongellini, Matteo ; Impalà, Veronica ; Morini, Gian L.: Design rules for the optimal sizing of a hybrid heat pump system coupled to a residential building, 2017 [15] Liang, Shimin ; Wang, Wei ; Sun, Yuying ; Li, Zhaoyang ; Zhao, Jihan ; Lin, Yao ; Deng, Shiming: A novel design method for ASHPs considering output heating capacity and frosting suppression. In: Energy and Buildings 224 (2020), Oktober, 110099. //dx.doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.110099:http://dx.doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.110099 – DOI 10.1016/j.enbuild.2020.110099 [16] Lutze, Philip: An Innovative Synthesis Methodology for Process Intensification. Dortmund, DTU Chemical Engineering, Diss., 2011 [17]     Vering, Christian; Wüllhorst, Fabian; Mehrfeld, Philipp; Müller, Dirk: Integrierte Auslegung von Kältemittel, Wärmepumpe und System: Prozessintensivierung von Wärmepumpensystemen, DKV Tagung 2020, online, 2020. [18] (Wbgu), German Advisory Council On G.: World in Transition 3: Towards Sustainable Energy Systems. 0. Routledge, 2014. //dx.doi.org/10.4324/9781315071961:http://dx.doi.org/10.4324/9781315071961 – DOI 10.1016/j.enbuild.2020.110099 – ISBN 978–1–315–07196–1 [19] Vering, Christian; Henn, Thomas; Scheitler, Ben; Nürenberg, Markus; Streblow, Rita; Müller, Dirk: Urban Energy Lab 4.0 – Das Kältemittellabor, HLH 07-08, 2020