Evaluation of heat pump systems under dynamic operating conditions

• Bewertung von Wärmepumpensystemen unter dynamischen Betriebsbedingungen

Mehrfeld, Philipp; Müller, Dirk (Thesis advisor); Seifert, Joachim (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center ; EBC, Energy efficient buildings and indoor climate 110
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Zur Dekarbonisierung des Gebäudesektors stellen Wärmepumpen eine Schlüsseltechnologie dar, da sie nachhaltig gewandelten Strom zur Wärme- und Kälteversorgung ressourcenschonend einsetzen. Zur zuverlässigen Abschätzung des Potentials der Ressourcenschonung ist es essentiell, die Effizienz der Energiewandlung realitätsnah vorherzusagen. Gängige Bewertungsverfahren vernachlässigen bei der Bestimmung der Kennzahl SCOP (engl.: seasonal coefficient of performance) für die Langzeiteffizienz von Wärmepumpen jedoch in signifikantem Maß Dynamiken sowie die ganzheitliche Bewertung des Systems. Die prognostizierten SCOPs werden im Allgemeinen überschätzt gegenüber real gemessenen Werten. Neben den energetischen Betrachtungen steigen gleichzeitig der Anspruch an die thermische Behaglichkeit in Innenräumen, die von Energiewandlungssystemen durch Raumwärme oder -kälte sichergestellt werden muss. Somit besteht Bedarf, Energiesysteme hinsichtlich multikriteriellen Bewertungsgrößen wie Effizienz und Komfort evaluieren zu können. Das erlauben aktuelle Bewertungsverfahren nicht. Im Rahmen dieser Dissertation wird eine neuartige Methode vorgestellt, die eine tiefgehende, multikriterielle Bewertung von komplexen Energiewandlungssystemen unter realitätsnahen, dynamischen Randbedingungen ermöglicht. Angewendet auf Szenarien von Wärmepumpensystemen für Einfamilienhäuser, sind die Bewertungsziele der SCOP und die Abweichungen der Ist-Innenraumtemperaturen von ihren Sollwerten. Die neuartige Methode nutzt das Hardware-in-the-Loop(HiL)-Konzept und wird als "Dynamic System Evaluation" (DSE) bezeichnet. Beim HiL-Ansatz operieren das reale zu untersuchende Energiesystem in Echtzeit und zyklisch rückgekoppeltem Austausch mit dynamischen Simulationsmodellen von Wärmeübergabesystem und Gebäudekubatur. Zur Anwendung der DSE-Methode wird der Bewertungszeitraum von einem Jahr auf wenige experimentelle Testtage reduziert. Im Rahmen dieser Arbeit wird das k-medoids-Clustering angewandt, woraus ein Informationsverlust aufgrund der Testzeitverkürzung von einem Jahr auf vier Testtage von 1,87 % hinsichtlich SCOP nachgewiesen wird. Zudem wird gezeigt, dass die DSE-Methode wiederholbar ist und von der Testeinrichtung und Modellierungssprache unabhängig reproduziert werden kann. Zur Einordnung der erzielten Ergebnisse wird die DSE-Methode einer reinen Systemsimulation gegenübergestellt, bei der der gesamte Bilanzzeitraum eines Jahres evaluiert wird. Um ein valides Systemverhalten abzubilden, wird eine detaillierte Modellkalibrierung für das virtuelle Abbild des zu untersuchenden Luft-zu-Wasser-Wärmepumpensystem durchgeführt. Es stellt sich heraus, dass die physikalischen Eigenschaften des Wärmepumpensystems gut kalibriert werden können. Dem entgegen stehen Abweichungen des Betriebsverhaltens, die überwiegend auf das Nachbilden des Systemreglers zurückgeführt werden können. Hinsichtlich SCOP ergibt sich ein relativer Unterschied von 8,43 %. Die Komfortbewertung - primär auf Basis der Abweichungen von Soll- und Ist-Raumtemperaturen - weist die Deckung des Raumwärmebedarfs nach. In Bezug auf das vorausgesagte mittlere Votum (engl.: predicted mean vote (PMV)) sowie die mittlere Abweichung der Temperaturresiduen an jedem Testtag ergibt sich eine vergleichbare thermische Behaglichkeit zwischen DSE-Methode und Systemsimulation. Die mittlere Abweichung liegt zwischen 2,12 K und 2,34 K. Diese maximale Differenz von 0,22 K bleibt in einem für den menschlichen Körper kaum wahrnehmbaren Bereich. Abschließend lässt sich festhalten: Wird ein definierbares und quantifizierbares Untersuchungsziel angestrebt, gilt die Reduzierung des Bewertungszeitraums auf eine Auswahl repräsentativer Testtage als hinreichend genau nachgewiesen. Daher wird die Anwendung der DSE-Methode für holistische Bewertungen von Energiewandlungssystemen empfohlen.

Einrichtungen

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