Verfahren zur energetischen Bewertung von Sorptions-Gaswärmepumpen

Marek Miara, u. a.
Wärmepumpen
BINE-Fachbuch
Heizen - Kühlen - Umweltenergie nutzen
2013, 166 S., 98 farb. Abb., Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Heizanlagen mit Wärmepumpen nutzen Umgebungswärme oder Abwärme für die Wärmeversorgung von Gebäuden. Sorgfältig ausgelegte Anlagen können sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch gegenüber anderen Heizsystemen gut bestehen. Höhere Anschaffungskosten werden durch niedrigere Energie- und Betriebskosten ausgeglichen. Das BINE-Fachbuch setzt den Schwerpunkt bei der Anlagentechnik und den Monitoringerfahrungen. Es richtet sich an Planer, Handwerker, Architekten und Bauherren im privaten Wohnungsbau. Schwerpunkte; - verschiedene Systeme und Kältemittel; - Ergebnisse internationaler Monitoringprojekte; - Zusammenwirken mit erneuerbaren Energien.

Andreas Hauer, Stefan Hiebler, Manfred Reuß
Wärmespeicher
BINE-Fachbuch
5., vollst. überarb. Aufl.
2013, 151 S., 116 farb. Abb., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Wärmespeicher ermöglichen es, das Wärmeangebot im Zeitverlauf und in der Leistung dem Bedarf anzupassen. Erst durch effiziente Wärmespeicher lassen sich Abwärme oder solare Wärme wirtschaftlich nutzen. Der Band stellt die verschiedenen Speichertechnologien vor und bietet Planern, Beratern und der Immobilienwirtschaft einen Überblick über unterschiedliche Speichermedien, -größen und -typen, Langzeit- und Hochtemperaturspeicher und die Wirtschaftlichkeit. Schwerpunkte: Zahlreiche Praxisbeispiele; Moderne Latentspeicher; Speichermanagement.

Franziska Bockelmann, M. Norbert Fisch, Herdis Kipry
Erdwärme für Bürogebäude nutzen
BINE-Fachbuch
2011, 152 S., 118 Abb., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das oberflächennahe Erdreich und Bauteile im Gründungsbereich lassen sich zum Heizen und Kühlen von Bürogebäuden einsetzen. Der Band stellt Systeme wie Energiepfahl, Erdwärmesonde und Fundamentabsorber für Planer, Bauherren und Handwerker vor. Normen, Genehmigungsfragen sowie Energie- und Betriebsmonitoring werden ebenso behandelt wie wirtschaftliche Aspekte. Erfahrungen aus realisierten Projekten veranschaulichen die Thematik.

Jan Heider, Nicole Conrad, Thomas Stark, Aleksej Abdulganiev, Peter Kosack, Anne-Kristin Wagner
Potenzial von Infrarot-Heizsystemen für hocheffiziente Wohngebäude
Abschlussbericht IR-Bau, Stand: 02/2020.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3220
2020, 254 S., 158 Abb. u. 41 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Entwicklungen im energieeffizienten Bauen in Deutschland zeigen einen klaren Trend zu Systemen mit Strom als Energiequelle zur Wärmeerzeugung. Dominierend sind hier Wärmepumpen. Diese erfordern jedoch einen hohen technischen und finanziellen Aufwand. Infrarot-Heizelemente bilden im Gegenzug die denkbar einfachste Art der Wärmeversorgung. Bisherige Studien zu IR-Heizungen bilden jedoch keine belastbaren Grundlagen für die Planung in der Baupraxis. Deshalb wurde mit dem Forschungsprojekt das Potenzial von Infrarot-Heizsystemen im hocheffizienten Wohnungsbau erörtert. Auf Basis der wissenschaftlichen Begleitforschung eines Pilotprojektes sowie vergleichenden Messungen unter Laborbedingungen und ergänzenden Berechnungen konnten neue Grundlagen für die ökologische, wirtschaftliche und planerische Einordnung geschaffen werden.

Georg Form, Marten F. Brunk, Christoph van Treeck
Regelstrategien zum wirtschaftlichen Einsatz von Wärmepumpen im bivalenten Betrieb. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2968
2016, 148 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Gebäude in Deutschland verursachen einen nennenswerten Anteil am Gesamtprimärenergieverbrauch von ca. 40 Prozent der BRD. Um die geplanten CO2 Einsparungen zu erreichen, ist eine Bedarfsreduzierungen der Gebäude erforderlich. Neben der Optimierung von Gebäudehüllen, kann der Einsatz primärenergiesparender Erzeugungssysteme zur Reduzierung des Gesamtenergiebedarfs beitragen. Wärmepumpen stellen eine Möglichkeit dar, den Primärenergieverbrauch durch Einsatz regenerativer Erdwärme zu reduzieren, jedoch ist die Reduktion des relevanten CO2-Ausstoßes und die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe stark von der Jahresarbeitszahl abhängig, welche im Wesentlichen durch die Systemtemperaturen und die Wärmequellentemperaturen bestimmt ist. Beide Temperaturen schwanken jahreszeitlich auf Grund unterschiedlicher Einflüsse (z.B. Außentemperatur und Sonnenstrahlung) und Nutzergewohnheiten. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine neuartige Regelstrategien für große Erzeugungsanlagen entwickelt und simulatorisch ausgewertet, welche den bivalenten Einsatz einer Wärmepumpe dahingehend optimiert, dass Zeiträume unwirtschaftlicheren Betriebs (geringe Leistungszahl) automatisch erkannt werden, um auf einen ökonomisch oder ökologisch günstigeren Erzeuger umzustellen und so im Jahresverlauf günstigere Gesamt-Arbeitszahlen zu erreichen. Mittels validiertem Simulationsmodell wurde ein realer Lastgang hinsichtlich der Wirkung des veränderten Regelungsansatzes untersucht. In einer Parametervariation konnten die Einflüsse wesentlicher Parameter auf die Ergebnisse beurteilt und Anwendungsgrenzen definiert werden. Die aus einer Realanlage abgeleiteten Rahmenbedingungen führen bei unterschiedlicher Parametrierung von Systemtemperaturen, Wärmequelle und Wärmepumpenkennlinien zu 5 Prozent bis 8 Prozent Einsparung durch eine ökonomische Optimierung. Durch unterschiedliche Energiepreisszenarien können zwischen 0,5 Prozent und 14 Prozent eingespart werden. Die CO2 Emissionseinsparungen fielen in allen Parametervariationen sehr gering aus.

Bernadetta Winiewska, Bert Oschatz
Erarbeitung eines Verfahrens zur energetischen Bewertung von Sorptions-Gaswärmepumpen innerhalb der Systemnormung. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2930
2014, 133 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Ziel der Forschungsarbeit bestand in der Erarbeitung eines qualifizierten Verfahrens für die energetische Bewertung von Gaswärmepumpen innerhalb der Systemnormung, um einen sachgerechten Vergleich mit anderen Technologien zu ermöglichen und gleichzeitig die Voraussetzung für die Planung eines energieeffizienten Wärmepumpeneinsatzes zu schaffen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden nach einer umfangreichen Literatur- und Marktanalyse die Prüfstandsmessungen von Gaswärmepumpen (GWP) ausgewertet und ein Simulationsmodell zur Beschreibung des Verhaltens von GWP bei unterschiedlichen Betriebszuständen innerhalb des numerischen Simulationsprogramms TRNSYS-TUD erstellt. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der durchgeführten Simulationsrechnungen und der im Rahmen der Bearbeitung des Forschungsvorhabens gewonnen Erkenntnisse zur Betriebsweise von Sorptions-GWP wurde ein Berechnungsansatz zur normativen Bewertung der Sorptions-GWP abgeleitet. Dabei wurde darauf geachtet, dass der Detaillierungsgrad analog zur Bewertung anderer Technologien ist, die als wesentlich erkannten energetischen Einflussfaktoren berücksichtigt werden und eine ausreichende Übereinstimmung mit realen Energieverbräuchen vorhanden ist. Anschließend wurde ein Bewertungsvorschlag für die nationale Normung (Fortschreibung der DIN V 18599) aufbereitet. Der erarbeitete Berechnungsansatz basiert auf den thermischen Nutzungsgraden für Raumheizung und Warmwasserbereitung nach VDI 4650 Blatt 2 sowie auf der mittleren elektrischen Leistungsaufnahme im Betrieb und im Stillstand der GWP. Aufgrund von zum Teil unterschiedlichen Betriebscharakteristika wurden für die Adsorptions- und Absorptions-Gaswärmepumpen unterschiedliche Ansätze für die Bestimmung des Nutzungsgrades im Betrieb in Abhängigkeit von der Belastung der GWP gewählt. Der Nutzungsgrad im Betrieb wird auf die Auslegungstemperatur und den Belastungsgrad der Sorptions-GWP korrigiert, dieser wird in Abhängigkeit von der monatlichen rechnerischen Laufzeit der Heizung und der Nennleistung der GW

Christoph Kempkes, Katrin Schalk, Clemens Felsmann, Bert Oschatz, Michael Günther
Energetische Bewertung thermisch aktivierter Bauteile
Dynamisch thermische Simulation, messtechnische, vereinfachte Simulation
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2739
2009, 133 S., 69 Abb., 25 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ziel des Vorhabens war die energetische Bewertung thermisch aktivierter Bauteile (TABS). Es sollten vereinfachte Bewertungsansätze für die Normenreihe DIN V 18599 erarbeitet werden. Der Untersuchungsschwerpunkt lag dabei auf der Ermittlung und Bewertung der energetischen Mehraufwendungen der Wärme- bzw. Kälteübergabe im Raum. Die vorliegenden Untersuchungen wurden parallel mit zwei verschiedenen thermisch/energetischen Simulationstools (IDA-ICE und TRNSYS) durchgeführt. Ausgehend von einem Referenzfall wurden zahlreiche Varianten untersucht. Im Heizfall wurden die Übergabeverluste nach dem üblichen Verfahren ermittelt: Der Bedarf unter Einsatz der TABS, ohne die Temperatur des Soll-Wertes zu unterschreiten, bezogen auf den Bedarf eines idealen Systems ergibt die Aufwandszahl. Basierend auf den Ergebnissen der vorliegenden Untersuchungen wurde bereits ein Ergänzungsvorschlag für den Teil 5 der DIN V 18599 in den neuen Teil 100 eingebracht. Dieser beinhaltet zwei Gesamtnutzungsgrade, welche sich hinsichtlich der Vorlauftemperatur unterscheiden: Konstante Vorlauftemperatur (eta h,ce = 0,70) und zentral geregelte Vorlauftemperatur (eta h,ce = 0,73). Für den Kühlfall wurden parallel zwei unterschiedliche Vorgehensweisen untersucht: - Gefordert ist, analog zur Vorgehensweise im Heizfall, dass die Raumtemperatur im TAB-Betrieb niemals den Grenzwert der Komfortkategorie 11 (26 Grad, Sollwert des idealen Systems) überschreiten darf. Auf diese Weise erreicht das TABS sehr geringe Nutzungsgrade zum Teil kleiner als 0,50. Es ist eine ausgeprägte Abhängigkeit des Nutzungsgrades vom Nutzkältebedarf vorhanden. Mit steigendem Bedarf steigt der Nutzungsgrad. - Bei der Zielwertbetrachtung liegen die Raumtemperaturen des TABS ebenfalls unterhalb 26 Grad, das ideale System hingegen hält den Zielwert aller Komfortklassen (24,5 Grad) ein. Im Ergebnis ist die Komfortanforderung deutlich entscheidender. Je höher der gewünschte Komfort, umso geringer ist der Nutzungsgrad. Bei geringen Komfortanforderungen kann dieser größer eins werden.

Wolfgang Richter, Ralf Gritzki, I. Müller
Optimale Heizkörper-Anordnung in Räumen von Gebäuden mit höherem Wärmeschutzniveau (Neubau und Sanierung). Abschlussbericht
Bau- und Wohnforschung, Band F 2480
2006, 200 S., zahlr. Abb.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Mit zunehmendem Wärmeschutz (Neubau und Sanierung) steigen die inneren Oberflächentemperaturen der Außenwände und Fenster, so dass sich - zumindest theoretisch - völlig neue Freiheitsgrade bei der Anordnung der Heizkörper im Raum eröffnen. Insbesondere Architekten begrüßen und realisieren zunehmend diese erweiterte Entwurfsmöglichkeit. Andererseits wird aus Gründen der Energieeinsparung (DIN 4701-10) und thermischen Behaglichkeit (VDI 6030) die innen liegende Heizkörper-Anordnung als Fehlentwicklung kritisiert. Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden die Konsequenzen der Heizkörper-Anordnung auf die thermische Behaglichkeit bei Berücksichtigung verschiedenster Einflussgrößen mittels gekoppelter Simulationsverfahren untersucht und quantitativ bewertet. Im Ergebnis zeigt sich, dass bei NEH usw. grundsätzlich der Heizkörper an beliebigen Wänden der Räume angeordnet werden kann. Strahlungsasymmetrie und kalte Fallströmungen im Fensterbereich sind unter diesen Bedingungen als nicht gravierend einzuschätzen. Diese Aussage entspricht allerdings einer nur einseitigen Betrachtungsweise. Probleme ergeben sich insbesondere bei Abluftanlagen mit Außendurchlass (ALD) im Fensterbereich, da hier die kalte Außenluft nicht mehr unmittelbar angewärmt werden kann und somit ein Zugluftrisiko zu erwarten ist. Die Beherrschung des Zugluftrisikos bildet damit die entscheidende Herausforderung zur Sicherung eines guten thermischen Komforts in NEH. Geht man davon aus, dass in zunehmendem Maße (Wohnung-)Lüftungsanlagen - überwiegend in Form von Abluftanlagen mit ALD oder vergleichbarer Fensterrahmenkonstruktion - installiert werden, so sind auch zu einem späteren Zeitpunkt entsprechende Nachinstallationen derartiger Lüftungskomponenten zu erwarten. Folgerichtig wird also unter Berücksichtigung von Nachrüstungen grundsätzlich die Anordnung von Heizkörpern an der Außenwand empfohlen.