Im Februar dieses Jahres wurde das Wärmepumpenmodul in GHEtool Cloud veröffentlicht. In diesem Monat ist das erste größere Update erschienen, mit dem Sie nun die Möglichkeit haben, eine eigene Wärmepumpe zu definieren und die Abgabetemperatur an das Gebäude festzulegen.
Wärmepumpen in GHEtool
Bei der Planung von oberflächennahen Erdwärmebohrfeldern ist es wichtig, die tatsächliche Einspeise- und Entnahmeleistung in das bzw. aus dem Bohrfeld zu kennen. Bisher wurden diese Werte ermittelt, indem man einerseits die Gebäudelast berücksichtigte und andererseits einen konstanten saisonalen Wirkungsgrad (oder SCOP) für die Wärmepumpe annahm, um daraus eine Bodenlast zu berechnen. Wie wir in unserem Artikel Ende letzten Jahres dargelegt haben (den Sie hier finden können hier), was zu drei Problemen führt:
- Ihre saisonale Effizienz wird in der Regel unterschätzt, da die durchschnittliche Medientemperatur höher ist als der in den Datenblättern angegebene Wert ‘B0’.
- Die Spitzenleistung des Bohrfeldes wird überschätzt, da der saisonale Wirkungsgrad in der Regel höher ist als der momentane Wirkungsgrad.
- Deine Effizienz ist – da es sich um einen Eingabewert handelt – unabhängig von deinem Entwurf, was im Gegensatz zur Realität steht.
Aus diesen drei Gründen haben wir das Wärmepumpenmodul in GHEtool Cloud veröffentlicht (lesen Sie den Artikel hier) im vergangenen Februar. Durch die Zusammenarbeit mit Wärmepumpenherstellern konnten wir detaillierte digitale Zwillinge ihrer Anlagen erstellen, mit denen sich das Bohrfeld simulieren lässt. Dadurch erhalten Sie nicht nur genauere Ergebnisse, sondern auch ein realistischeres Bild der tatsächlichen Leistung Ihrer Anlage.
Obwohl diese Änderung großen Anklang gefunden hat, war der häufigste Wunsch, den wir erhalten haben, eine Option zur Definition eigener Wärmepumpen – und genau diese werden wir heute veröffentlichen.
Wirkungsgrad einer Wärmepumpe
Um die Modellierung der benutzerdefinierten Wärmepumpen in GHEtool zu verstehen, ist es wichtig, den theoretischen Wirkungsgrad der Wärmepumpe zu kennen: den Carnot-Wirkungsgrad. Dieser wird zunächst erörtert, woraufhin das vereinfachte Wärmepumpenmodell erläutert wird.
Carnot-Wirkungsgrad
Der Teil $T_H-T_L$ der Gleichung wird auch als ‘Temperaturunterschied’ bezeichnet, da es sich dabei buchstäblich um die Temperaturdifferenz zwischen der kalten und der warmen Seite der Wärmepumpe handelt und dieser eine zentrale Rolle für den Gesamtwirkungsgrad Ihrer Anlage spielt. Je höher dieser Temperaturunterschied ist, desto geringer ist Ihr Gesamtwirkungsgrad.
Achtung!
Genau das ist der Grund, warum Niedertemperatur-Heizsysteme wie die Fußbodenheizung so gut mit einer Wärmepumpe kombiniert werden können. Aufgrund ihrer niedrigen Temperaturanforderungen (oft 35 °C oder sogar noch weniger) ist der Temperaturanstieg eher gering, was im Vergleich zu Systemen mit einer Vorlauftemperatur von 55 °C – wie beispielsweise einigen Heizkörpern – zu sehr hohen Wirkungsgraden führt.
Jede Wärmepumpe – egal ob Erd- oder Luftwärmepumpe, mit modulierender oder fester Drehzahl – weist denselben zugrunde liegenden maximalen Wirkungsgrad auf, weshalb dieser als Grundlage für unser vereinfachtes Wärmepumpenmodell dient.
Vereinfachtes Modell
Der Schlüssel zu dem vereinfachten Wärmepumpenmodell liegt darin, dass für jede Kombination aus Verdampfer- und Verflüssigertemperatur der theoretische Maximalwirkungsgrad anhand der oben erläuterten Formel bekannt ist. Wir benötigen jedoch eine Methode, um diesen Wert in den tatsächlichen Wirkungsgrad umzurechnen, was mithilfe eines quadratischen Korrekturfaktors erfolgt.
Anhand von mindestens drei Punkten (wobei eine größere Anzahl die Genauigkeit der Anpassung erhöht) lässt sich die Differenz zwischen dem theoretischen und dem tatsächlichen Wirkungsgrad quantifizieren, wie im Folgenden dargestellt.
In der obigen Abbildung sind die erwarteten Wirkungsgrade sowohl als rote Punkte (für den tatsächlichen Wirkungsgrad, wie er im Datenblatt Ihrer Wärmepumpe angegeben ist) als auch als orangefarbene Dreiecke dargestellt, die den theoretischen Wirkungsgrad repräsentieren. Teilt man Ersteres durch Letzteres, erhält man eine quadratische Korrelation, die den Unterschied zwischen dem theoretischen, stets bekannten Wirkungsgrad und dem tatsächlichen Wirkungsgrad quantifiziert.
Achtung!
Dieses vereinfachte Modell funktioniert nur für Wärmepumpen mit fester Drehzahl, die nicht modulierend arbeiten. Um das Teillastverhalten genau abzubilden, wären deutlich mehr Datenpunkte erforderlich, was die Umsetzung des Modells unmöglich macht. Wir arbeiten weiterhin daran, ein ähnliches, vereinfachtes Modell auch für modulierende Wärmepumpen zu entwickeln.
Eine eigene Wärmepumpe in GHEtool Cloud definieren
In GHEtool haben Sie auf der Registerkarte ‘Wärmebedarf’ die Möglichkeit, eine Wärmepumpe aus unserer Datenbank auszuwählen. Bisher waren diese alle vordefiniert, doch nun besteht die Möglichkeit, eigene Wärmepumpen anzulegen.
Achtung!
Eine direkte Ansteuerung einer Wärmepumpe ist nur möglich, wenn ein stündliches Lastprofil verwendet wird. Ist dieses nicht verfügbar, kann, wie bereits erläutert, ein geschätztes Lastprofil in GHEtool erstellt werden. hier.!Hinweis
Alle Wärmepumpen, die Sie in GHEtool definieren, stehen auch in Ihren anderen Projekten zur Verfügung, wodurch Sie sich viel Zeit beim erneuten Definieren von Maschinen sparen.
Wenn Sie eine selbst definierte Wärmepumpe hinzufügen (oder bearbeiten), sind stets die folgenden Angaben erforderlich (wie in der Abbildung unten dargestellt).
- Der Name, unter dem Ihre Wärmepumpe im Bericht und in den anderen Projekten angezeigt wird.
- Der minimale Temperaturunterschied zwischen Verdampfer und Verflüssiger, der von Wärmepumpe zu Wärmepumpe variieren kann.
- Die Mindest- und Höchsttemperaturen des Verflüssigers, um den Betriebsbereich Ihrer Maschine zu bestimmen.
- Die Temperaturdifferenz zwischen Einlass und Auslass sowohl des Verdampfers als auch des Kondensators. Dies ist erforderlich, da der Wirkungsgrad von Wärmepumpen häufig als Bx/Wy definiert wird, wobei x als der Verdampfer definiert ist. Einlass Temperatur und y als Kondensator Verkaufsstelle Temperatur. Um mit den durchschnittlichen Medientemperaturen arbeiten zu können, muss die Temperaturdifferenz bekannt sein.
Neben diesen allgemeinen Informationen sollten mindestens drei verschiedene, einzigartige Betriebsbedingungen angegeben werden. Für jede Bedingung sollten die Einlasstemperatur des Verdampfers, die Auslasstemperatur des Kondensators, der Wirkungsgrad sowie die verfügbare Leistung angegeben werden. Anhand dieser Angaben lässt sich die Korrelation definieren.
!Hinweis
Wenn Ihre Wärmepumpe auch zur aktiven Kühlung genutzt wird, müssen Sie diese Daten nicht separat eingeben, da der Wirkungsgrad im Heizbetrieb (COP) und der Wirkungsgrad im Kühlbetrieb (EER) thermodynamisch miteinander verbunden sind. Deshalb reichen die Angaben, die bei der Definition der Wärmepumpe ausschließlich anhand der Werte im Heizbetrieb gemacht werden, aus, um auch die aktive Kühlung abzudecken.
Einfluss der Emissionstemperatur
Um den Einfluss der Ablufttemperatur auf den Wirkungsgrad der Wärmepumpe zu veranschaulichen, betrachten wir die folgende Simulation mit unserer selbst definierten Wärmepumpe und einer Ablufttemperatur von 35 °C.
Hier beträgt der durchschnittliche SCOP-Wert über einen Simulationszeitraum von 20 Jahren 4,66. Wird die Abgastemperatur auf 45 °C erhöht, ändert sich die Kurve und der Gesamtwirkungsgrad sinkt auf 4,15. Dies liegt schlicht daran, dass der Wirkungsgrad aufgrund des höheren Temperaturanstiegs abnimmt, was verdeutlicht, wie wichtig es ist, die Abgastemperatur so niedrig wie möglich zu halten.
!Hinweis
Wenn Sie Ihre Wärmepumpe zur aktiven Kühlung einsetzen, besteht die reale Möglichkeit, dass Sie am Ende lediglich einen gleichbleibenden Wirkungsgrad erzielen, selbst wenn ein durch die Abluft dominiertes Ungleichgewicht vorliegt. Dies kann durch die Mindestkondensatortemperatur und/oder den Mindestdruckunterschied verursacht werden. Wenn Sie beispielsweise eine Wärmepumpe mit einer Mindestkondensatortemperatur von 25 °C haben und Ihre Medientemperatur unter diese 25 °C fällt, führt dies nicht zu einer Steigerung des Kühlwirkungsgrads, da die Wärmepumpe dennoch weiterhin 25 °C liefert.
Was kommt als nächstes?
Dieses Update war das erste größere Update für das Wärmepumpenmodul in GHEtool, aber es wird definitiv nicht das letzte sein. Im Folgenden stellen wir zwei zukünftige Updates vor, an denen wir bereits arbeiten.
- Wie bereits erwähnt, funktioniert das derzeitige vereinfachte Modell nur mit Wärmepumpen mit fester Drehzahl. Wir forschen an einem ähnlichen Modell, mit dem sich auch Teillast-Wärmepumpen simulieren lassen, ohne dass dabei der geringe Komplexitätsgrad beeinträchtigt wird.
- Derzeit ist die Abgabetemperatur an das Gebäude konstant; in der Praxis hängt diese Temperatur jedoch häufig von der Außentemperatur ab – es handelt sich also um eine Heizkurve. In einem zukünftigen Update wird dies umgesetzt, wodurch sich der tatsächliche Wirkungsgrad der Erdwärmepumpe weiter verbessert.
Fazit
In diesem Artikel wurde das neueste Update des Wärmepumpenmoduls in GHEtool Cloud beschrieben. Ab sofort ist es möglich, eine eigene Wärmepumpe mit fester Drehzahl zu definieren und die Vorlauftemperatur für Heizung, Warmwasserbereitung sowie aktive Kühlung festzulegen.
In Zukunft soll dieses Modul um eine Option für Heizkurven erweitert werden; außerdem ist eine Erweiterung des derzeitigen vereinfachten Modells geplant, um auch modulierende Wärmepumpen zu berücksichtigen.
Literaturverzeichnis
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