Wärmepumpensysteme
Energetisch-ökonomische Bewertung von Wärmequellen für Wärmepumpen

Für die Auswahl von geeigneten Wärmequellen und Wärmeübertragern für Wärmepumpen wird in diesem Forschungsprojekt ein einfaches, Excel-basiertes Werkzeug entwickelt. Auf Basis von Marktdaten und empirischer Anlagenparameter können für verschiedene Gebäude- und Nutzungstypen unterschiedliche Systeme energetisch und ökonomisch verglichen werden. Die Berechnungen sind über Messdaten realer Anlagen und Simulation validiert.

Immer mehr Gebäude werden mit Wärmepumpen beheizt. Die Entwicklung der letzten Jahre zeigt auch eine größere Vielfalt an möglichen Wärmequellen und die sie erschließenden Wärmeübertrager. Neben den bekannten Luft-Wasser-Wärmepumpen, Erdwärmesonden und Grundwasserbrunnen gibt es viele weitere Wärmequellen bzw. Wärmeübertrager wie beispielsweise Erdwärmekollektoren, Energiepfähle, Erdwärmekörbe, Eisspeicher, Luftabsorber sowie Wärmeübertrager für Abwasser und Fließgewässer.

Die normalerweise zur Verfügung stehenden Unterlagen und Informationen beziehen sich zumeist auf einzelne Anlagenkonzepte und deren Wärmeübertrager. Dies erschwert eine direkte Gegenüberstellung verschiedener Systeme und Anlagenvarianten. Und nicht selten kommen Produkte zum Einsatz, zu deren Kosten-Nutzen-Effizienz keine belastbaren Erkenntnisse vorliegen. Auch ist es kaum möglich, einen Überblick über die unterschiedlichen Rahmenbedingungen, Flächenbedarfe, Investitions- und Betriebskosten sowie den Bau- und Installationsaufwand zu bekommen.

So entstand die Idee eines Informations- und Planungswerkzeugs für die frühe Planungsphase, mit dem für konkrete Gebäude und deren Wärme- und Kühlbedarf geeignete Wärmequellen, Wärmeübertrager und Anlagenkonfigurationen identifiziert und bewertet werden können.

Forschungsfokus

Zunächst wurden in einer Literatur- und Marktrecherche die wesentlichen planungsrelevanten Daten zu möglichen Anlagenkonzepten und Wärmeübertragersystemen erfasst. Hierfür wurden umfangreiche Hersteller- bzw. Anbieterinformationen abgefragt.

Weiterhin wurden dreizehn verschiedenen Gebäude und deren Anlagentechnik energetisch auf Basis gemessener Betriebsdaten analysiert. Anschließend wurden ausgewählte thermodynamische Effekte und Zusammenhänge für einzelne Systeme mittels Parameterstudien und Sensitivitätsanalysen detailliert untersucht. Die umfassende Simulationsstudie dokumentiert die Leistungsfähigkeit, die Energieeffizienz und eine Betriebscharakteristik unterschiedlicher Niedertemperatur-Wärmequellen und zugehöriger Wärmeübertrager. Zudem werden Hinweise auf Einsatzbereiche und -grenzen gegeben.

Auf dieser Basis sollten für unterschiedliche Gebäudetypologien und -standards passende Systemkonzepte empfohlen und vergleichend bewertet werden. Hierfür wird ein Werkzeug entwickelt (WPsource), mit dem für konkrete Gebäude und deren Rahmenbedingungen geeignete Wärmequellen und Wärmeübertrager ausgewählt und bewertet werden. Damit können bereits in einer frühen Planungsphase sowohl die Systemenergieeffizienz also auch alle Kosten für Bau und laufenden Betrieb recht differenziert und vergleichend betrachtet werden.

Anwendung

Mit WPsource steht in Kürze ein einfach verwendbares Planungshilfsmittel zur Verfügung. Es bietet einen Überblick über verschiedene Wärmequellen, deren Randbedingungen sowie spezifische Kennwerte und Leistungen, die resultierende energetische Effizienz der Systeme und deren Investitions- und Betriebskosten. Fachplaner und Architekten können hiermit eine bedarfsgerechte und an projektspezifische Rahmenbedingungen angepasste Vorauswahl von Wärmepumpensystem-Komponenten vornehmen, geeignete Niedertemperatur-Wärmequellen für Wärmepumpen identifizieren sowie insbesondere die Wärmeübertrager überschlägig dimensionieren.

Der Einsatzbereich liegt bei der Grundlagenermittlung, in der Planung und der Erstellung von Gebäudeenergiekonzepten. Das Werkzeug führt zu einer sinnvollen Auswahl von Wärmequellen und Wärmeübertrager für Wärmepumpensysteme konkreter Gebäude.