Optimale Auslegung von Wärmepumpensystemen für Bestandsgebäude

• Optimal design of heat pump systems for existing buildings

Vering, Christian; Müller, Dirk (Thesis advisor); Elbel, Stefan (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center : EBC, Energy Efficient Buildings and Indoor Climate 114
Seite(n)/Artikel-Nr.: Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Im 21. Jahrhundert ist zum Schutz des Klimas die nachhaltige Nutzung von Energie in allen Sektoren erforderlich, sodass der Austausch konventioneller Energiesysteme vorangetrieben werden muss. Insbesondere die optimale Auslegung von Energiesystemen unter Berücksichtigung von ökonomischen, ökologischen und sozialen Faktoren wird zunehmend wichtiger. Die Auslegung von Energiesystemen erfordert jedoch viele Entscheidungen, die direkt von der eingesetzten Anlagentechnik, ihrer Betriebscharakteristik und ihrer Entsorgung abhängen. Eine nachhaltige Nutzung kann daher nur sichergestellt werden, wenn die zugrundeliegenden Abhängigkeiten im gesamten Lebenszyklus bereits in der Auslegung berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wird eine computergestützte Methode zur optimalen Auslegung von Energiesystemen vorgestellt, die die Betriebscharakteristik (Entscheidungen auf der Kontroll-Domäne) in die Auslegung (Entscheidungen auf der Design-Domäne) integriert. Durch die Integration der domänenübergreifenden Entscheidungsvariablen in eine Methode können Energiesysteme optimal entworfen werden. Auslegung und Betriebscharakteristik (Betriebsführung und betriebsbedingte Effekte) werden schrittweise in einem dynamischen Simulationsmodell mittels systematischer Prozessintensivierung verknüpft. Als Fallbeispiel der Methode dienen Luft-Wasser-Wärmepumpensysteme, die einen wesentlichen Baustein zur Elektrifizierung der Wärmeversorgung von Bestandsgebäuden darstellen. Luft-Wasser-Wärmepumpensysteme unterliegen im Betrieb dynamischen Randbedingungen und weisen betriebsbedingte Effekte (Teillastverhalten, Betriebsgrenzen, thermische Desinfektion und Bereifung des Verdampfers) auf, die in die Auslegung integriert werden. Zur Optimierung werden Zielgrößen für die Wirtschaftlichkeit (annualisierte Kosten) und die Umweltwirkungen (äquivalente CO2-Emissionen) gewählt. In multiplen Szenarien legt die Methode robust optimale Wärmepumpensysteme für Bestandsgebäude aus. Die optimal ausgelegten Wärmepumpensysteme halten den geforderten thermischen Komfort ein. Zur Verifizierung der Auslegungsergebnisse wird ein Kältemittellabor entwickelt, in dem Kältemittel, Kältemittelkreisläufe, Wärmepumpensysteme, Kältekreisregler und Systemregler untersucht werden können. Es wird eine Hardware-in-the-Loop-Umgebung für brennbare Kältemittel zum Betrieb einer Propan-Wärmepumpe entwickelt. Zugehörige Experimente zeigen die Wechselwirkungen zwischen Auslegung und Betrieb und verdeutlichen den Bedarf an integrierten Auslegungsmethoden. Zusammenfassend ermöglicht die entwickelte Methode eine domänenübergreifende, optimale Auslegung, die durch Abstraktion von Empfehlungen eine nachhaltige Nutzung von Energie im Gebäudesektor zum Schutz des Klimas forciert.

Einrichtungen

• E.ON Energy Research Center [080052]
• Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik [419510]