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Die thermischen Wirkungsgrade von Kraftwerken zur Stromerzeugung sind relativ gering. Beispielsweise erreichen moderne Kohlekraftwerke heute bis etwa 45 %, Gasturbinen maximal 40 % sowie Diesel-und Gas-Motoren bis ca. 50 %. Kombinations-Kraftwerke, d. h. Gas- und Dampfturbinen-Prozesse, können über 60 % thermischen Wirkungsgrad bei der Umwandlung der zugeführten Wärme in mechanische bzw. elektrische Energie erzielen. Ein ähnlich hoher Wert wird in Zukunft von den Brennstoffzellen erwartet. Der nicht in Arbeit umgewandelte Anteil der zugeführten Wärme fällt als Abwärme an und geht ungenutzt in die Umgebung. Ein Teil dieser Abwärme lässt sich durch entsprechende Installationen bei allen Kraftwerksprozessen zur Wassererwärmung oder zur Dampferzeugung für industrielle Zwecke nutzen. Für Heiz- und Prozesswärme genügt eine Temperatur der Abwärme von 60 bis 80 °C, während die Erzeugung von Industriedampf deutlich höhere Temperaturen voraussetzt.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist das netzdienliche Betreiben einer Wärmepumpe. Um diese Netzdienlichkeit zu erreichen, wird ein modellprädiktiver Regler entwickelt und implementiert, dessen Ziel es ist die Stromkosten einer Wärmepumpe zu senken. Dazu werden die Variablen Stromkosten und ein simulierter Heizbetrieb betrachtet.
Die Entwicklung eines modellprädiktiven Reglers setzt zunächst eine Modellierung der Komponenten des Heizsystems voraus. Ebenfalls muss eine Kostenfunktion formuliert werden, die es zu minimieren gilt. In einem Optimierungsproblem werden die Modelle als Randbedingungen und die Kostenfunktion als Zielfunktion der Optimierung formuliert. Dazu müssen gewisse Vereinfachungen getroffen werden, um das Optimierungsproblem zuverlässig und ohne enormen Rechenaufwand in einer Regelungsschleife lösen zu können.
Nun wird das Optimierungsproblem mit externen Modulen verknüpft, die eine Kommunikation mit der realen Wärmepumpen, Strompreisprognosen und Wettervorhersagen ermöglichen. Der dabei entwickelte Algorithmus wird auf einem Raspberry Pi Einplatinencomputer gespeichert und dort in einem regelmäßigen Zeitintervall von 15 Minuten ausgeführt, um den Betrieb der Wärmepumpe zu regeln.
Schließlich wird der modellprädiktive Regler in Betrieb genommen. Anschließend kann der modellprädiktive Betrieb mit dem konventionellen Betrieb verglichen werden. Aus dem Vergleich wird deutlich, dass eine modellprädiktive Regelung tatsächlich die Netzdienlichkeit einer Wärmepumpe verbessern kann. Andererseits werden auch die Entwicklungspotentiale identifiziert.
Optimization of energetic refurbishment roadmaps for multi-family buildings utilizing heat pumps
(2023)
A novel methodology for calculating optimized refurbishment roadmaps is developed in this paper. The aim of the roadmaps is to determine when and how should which component of the building envelope and heat generation system be refurbished to achieve the lowest net present value. The integrated optimization approach couples a particle swarm optimization algorithm with a dynamic building simulation of the building envelope and the heat supply system. Due to a free selection of implementation times and refurbishment depth, the optimization method achieves the lowest net present value and high CO2 reduction and is therefore an important contribution to achieve climate neutrality in the building stock.
The method is exemplarily applied to a multi-family house built in 1970. In comparison to a standard refurbishment roadmap, cost savings of 6–16 % and CO2 savings of 6–59 % are possible. The sensitivity of the refurbishment roadmap measures is analyzed on the basis of a parametric analysis. Robust optimization results are obtained with a mean refurbishment level of approx. 50 kWh/m2/a of the building envelope. The preferred heat generation system is a bivalent brine-heat pump system with a share of 70 % of the heat load being covered by the electric heat pump.
Um die Ausmaße des Klimawandels und die Emission von Treibhausgasen zu verringern, wird ein Umschwung auf erneuerbare Energien angestrebt. Dazu zählt unter anderem der Wandel von Öl und Gasheizungen, hin zu Wärmepumpen. Aufgrund seiner guten Beurteilung hinsichtlich Nachhaltigkeit und Umweltbeeinflussung, findet Propan als Betriebsstoff jüngst eine zunehmende Beachtung. Da dieses ein brennbares Kältemittel ist, müssen solche Wärmepumpen aus Sicherheitsgründen genauer untersucht werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es deshalb, den Fall von Propan-Leckagen in den Heizkreislauf einer Propan-Wärmepumpe unter verschiedenen Versuchsbedinungen zu untersuchen. Des weiteren wird untersucht, wie gut das Propan im Leckagefall von einem Gasabscheider abgeschieden werden kann, um das Risiko für den Endanwender zu minimieren.
Um die Auswirkungen einer Propanleckage in den Heizkreis untersuchen zu können, werden unterschiedliche Messungen bei veränderbaren Parametern durchgeführt. Es wird untersucht, wie sich das Propan bei unterschiedlichen Leckagemassenströme Propan, unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers und unterschiedlichen Temperaturen im Heizkreis verhält. Außerdem wird der Gasabscheider evaluiert, um zu untersuchen, unter welchen Bedienungen das meiste Propan abgeschieden werden kann.
Die Auswertung der Messungen zeigen, dass lediglich der Leckagemassenstrom an Propan einen Einfluss auf die Menge des abgeschiedenen Propans und die dafür benötigte Zeit hat. Umso größer die Propanleckage in dem Fall ist, umso mehr Propan wird dementsprechend in kürzerer Zeit abgeschieden. Durch die Variation des Volumenstrom des Wassers verändert sich der Druck im Heizkreis und steigt bei zunehmendem Volumenstrom an. Ab einem bestimmten Druck kann nun auch Propan über ein eingebautes Sicherheitsventil und nicht nur über den Gasabscheider entweichen. Die Temperatur des Heizkreises hat keinen Einfluss auf die Messungen. Des weiteren zeigen die Messungen, dass der Gasabscheider einen Großteil des Propans abscheidet. Die Messungen zeigen außerdem, dass durch eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit des Wassers mehr Propan über den Gasabscheider abgeschieden werden kann.
Sicherheitstechnisch ist bei einer Propan-Wärmepumpe zu Empfehlen, dass im Fall einer Propan-Leckage das abgeschiedene Propan nach dem Gasabscheider direkt nach draußen zu leiten. Eine weitere Möglichkeit wäre es, den Gasabscheider draußen aufzustellen und das Heizwasser erst nach dem Abscheider in das Gebäude zu leiten.
Elektrische Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie für klimafreundliche Gebäude. In Mehrfamilienhäusern ist ihr Einsatz noch eine Herausforderung und entsprechend wenig verbreitet. Im Rahmen des Verbundprojekts "HEAVEN" haben Forschende nun ein Mehrquellen-Wärmepumpensystem entwickelt, das an die Anforderungen größerer Wohngebäude angepasst ist. Getestet wurde es im Rahmen des Verbundprojekts "Smartes Quartier Durlach" in einem Karlsruher Gebäude. Daten zum ersten Betriebsjahr liegen nun vor.
Diese Metadaten wurden zur Verfügung gestellt von der Literaturdatenbank RSWB®plus
Moderne strombetriebene Wärmepumpenanlagen sind im Hinblick auf die Umweltbilanz und die Jahresenergiekosten selbst gegenüber den effizientesten gasbefeuerten und ölbefeuerten Heizanlagen deutlich im Vorteil. Um diesen Vorteil auch in der Praxis zu erreichen, muss der Auswahl und Dimensionierung der Wärmepumpe einschliesslich der Wärmequelle besondere Beachtung geschenkt werden. Hinsichtlich des Temperaturniveaus bietet sich als Wärmequelle besonders das Erdreich an, beispielsweise durch Erdsonden erschlossen. Abhängig von den hydrogeologischen Rahmenbedingungen ist insbesondere auf die längenbezogene Wärmeentzugsleistung der Erdsonden zu achten. Hierfür hat das Ministerium für Umwelt und Verkehr des Landes Baden-Württemberg einheitliche Grundlagen für die Beurteilung und Bearbeitung geschaffen. Ausgehend von einer Wärmepumpenheizanlage, von der bereits Messungen vorliegen, wurde diese Anlage mit dem Simulationsprogramm TRNSYS nachgebildet und die wesentlichen Temperaturverhältnisse in verschiedenen Erdreichtiefen und Erdsondenabständen ermittelt. Mit diesen Erdreichtemperaturen werden mit Hilfe eines vereinfachten Energiebilanzverfahrens die Jahresarbeitszahlen ermittelt. Dabei zeigt sich, dass neben der Hydraulik der Heizanlage der Art der Trinkwassererwärmung besondere Bedeutung zukommt, da dies sich entscheidend auf die Jahresarbeitszahl und damit auch auf die mögliche Reduzierung des CO2-Ausstosses auswirkt.