Erhöhung der Effizienz und des Wirkungsgrades bei einer thermischen Solaranlage und einer Grundwasserwärmepumpenanlage zur Heizung und Warmwasserbereitung an einem ausgeführten Projekt

Abstract

Das höchste Nutzungspotential erneuerbarer Energieträger stellen laut der Studie „100% Energieautarkie 2050“ die Nutzung der oberflächennahen Umweltwärme über Wärmepumpen im Niedertemperaturbereich, die Solarthermie als Nieder temperaturwärme in Gebäuden und die Photovoltaik dar. In dieser Arbeit werden einerseits die derzeit am Markt befindlichen Systemlösungen analysiert und bewertet und andererseits Systemlösungen und Optimierungs maßnahmen aufgezeigt und ihre wesentlichen Effizienzsteigerungen messtechnisch dokumentiert. Der Schlüssel zu höchster Effizienz von Wärmepumpensystemen und Solar thermischen Anlagen zur Heizungsunterstützung liegt in der Optimierung der Wärmeverteilsysteme. Dabei gilt es, mit niedrigst möglichen Vor- und Rücklauftemperaturen die geforderten Raumtemperaturen zu halten. Durch niedrige Rohrverlegeabstände, geringe Temperaturspreizungen im Bereich von 3°C bis 5°C (mit durchgehender Betriebsweise ohne Absenkung) kann mit Vorlauf temperaturen von 26°C bis 35°C eine Senkung der Heizmittel und damit Fußboden oberflächentemperaturen erzielt werden. Dies erhöht den Selbstregeleffekt des Fußbodenheizungssystems, reduziert die Wärmeverteilverluste und erhöht die Effizienz der Wärmepumpe und Solarthermie. Aktuelle Feldmessungen von Grundwasserwärmepumpensystemen mit Berücksichtigung der Warmwasserbereitung zeigen Jahresarbeitszahlen von nur COP 3,07-3,75. Durch täglich mehrfache Speicherladung mittels der Wärmepumpe auf eine Temperatur von 50°C, Einsatz großflächiger vierwegiger Frischwasserstationen mit hoher thermischer Länge und geringer Temperaturgrädigkeit von 1°C bis 2°C gelingt es, Warmwasser mit 42°C bis 48°C an der Zapfstelle zu erzeugen. Durch thermische Desinfektionsmaßnahmen entspricht dieses System den Hygiene normen in Bezug auf Legionellenfreiheit. Diese Maßnahmen erlauben eine Zirkulationsunterbrechung und ein reduziertes Zirkulationstemperaturniveau von 40°C, was eine wesentliche Reduktion des Zirkulations- und Wärmeverteilverlustes bewirkt. Burger Johann Masterthesis Seite - 8 - Durch dieses Konzept ist es möglich, die Warmwasserbereitung über die Wärme pumpe bei einer durchschnittlichen Vorlauftemperatur von 45°C und einem hohen COP-Wert von ca.4,6 zu realisieren. Bei niedrigen erforderlichen Vorlauftemperaturen des Fußbodenheizungssystem von 26°C bis 35°C und einem Speicher- und Regelungskonzept, das eine minimale Wärmepumpenvorlauferhöhung im Mittel von 1-2 K erlaubt, sind bei der Wärmepumpe im Heizbetrieb COP-Werte von 6 bis 6,5 möglich. Die Leistungsaufnahme der Grundwasserförderpumpe konnte durch drastische Reduktion der Druckverluste , Ergänzung auf drei Rammbrunnen, Umstellung auf ein geschlossenes System mit Tauchrohr beim Rückgabebrunnen und damit Wegfall des geodätischen Höhenverlustes und Verzicht auf ein Rückschlagventil bei gleicher Wassermenge um 63% reduziert werden. Die Pumpe liegt mit einer Aufnahmeleistung von 7% der Verdichternennleistung im optimalen Bereich, was sehr hohe Jahresarbeitszahlen von ca. 5,4 ermöglicht. Durch die Reduktion der Grädigkeit des Wärmetauschers zur Übertragung der Solarenergie auf 1°C bis 4°C und die Schaffung eines Niedertemperatur-speicherbereiches können Solarthermische Anlagen zur Heizungsunterstützung bei niedrigst möglichem Temperaturniveau und damit höchstem Wirkungsgrad der Kollektoren arbeiten. In Zusammenarbeit mit optimierten Regelsystemen können höchste Deckungsgrade erreicht werden. Bei der Verwendung von stetigen mengenvariablen und hochgenauen Raum temperaturzonenreglern kann der passive Wärmeeintrag über großflächige Glas flächen optimal genutzt werden. Das Fußbodenheizungssystem kann über Wärmeaustauscher und Grundwasser nutzung zu einem höchstkomfortablen geräusch- und zugfreien Flächenkühlsystem genutzt werden. Eine ausreichende Kühlleistung von ca. 35 W /m² kann erzeugt werden. Für den Betrieb ist nur die geringe elektrische Aufnahmeleistung der Grundwasser pumpe, welche ohnedies kostenfrei von den Photovoltaikanlagen erzeugt wird, notwendig. Mit optimierten Wechselrichterkonzepten ausgestattete Photovoltaiksysteme erzeugen zu 100% die elektrische Energie für zwei Wärmepumpen samt Nebenaggregaten und sind darüber hinaus in der Lage, den Strombedarf für vier Nutzungseinheiten zu erzeugen.

According to the study “100% Energieautarkie 2050” the highest potential use of renewable energy sources is the near-surface environmental heat through heat pumps in the low temperature range, the solar thermal energy as low temperature heat in buildings and the photovoltaic. In this work the currently available system solutions are being analyzed and evaluated, system solutions and optimization measures are being depicted and their essential increase in efficiency documented by means of measurement techniques. The key to highest efficiency of water heat pump systems and solar thermal plants, to support heating, lies in the optimization of the heat distribution system. The aim is to keep the required room temperature with the lowest possible flow and return temperature. By means of small pipe laid differences, low temperature differences in the range of 3 to 5°C and continuous operation without going to setback temperature a flow temperature of 26°C to 35°C is enough and a reduction of floor surface temperature and therefore reduction of heating material is possible. This measures increase the self-regulating effect of the underfloor heating system, reduces the heat distribution losses and increases the efficiency of the heat pump and solar thermal system. Current field test measurements of actual systems indicate that the annual performance factor of ground water heating systems, with regards to hot water heating, is at only COP 3,07-3.75. Burger Johann Masterthesis Seite - 10 - By charging the water storage through the ground water heating multiple times a day to a temperature of 50°C, by using four-way fresh water stations with a conceptual high thermal length and a water temperature of 1°C to 2°C, it is possible to heat water of up to 42°C to 48°C at the tap, which satisfies the hygiene standards with regards to legionella. By this measures a circulation interruption and a reduction of the circulation temperature at 40°C is possible, which considerably reduces the circulation and heat distribution losses. By this concept it is possible to realize a heating by ground water with a mean flow temperature of 45°C and a mean high COP of 4.6. Because of those low requirements of the flow temperature of the under flow heating of 26°C to 35°C and a tank and control concept that allows a heat pump flow temperature increase at the mean of 1-2 K, COP values of 6 to 6.5 of the heat pump in heating mode are possible. The input of the ground water supply pump could be reduced by 63% by drastically reducing the pressure losses, addition of three tube wells, conversion to a closed system with an immersion tube in the non-return well and thus eliminating the static head loss and abandonment of a check valve for the same amount of water. The pump is with an input power of 7% of the compressor airflow in the optimal range, this allows a very high seasonal performance factor of approximately 5.4. By reducing the temperature difference of the heat exchanger to transfer the solar energy to 1°C to 4°C and the creation of a low temperature storage area, it is possible that solar thermal systems for heating assistance can work at the lowest possible temperature level, and thus the highest efficiency of the panels. In collaboration with optimized control systems the highest coverage rates can be achieved. When using continuous quantitative variable and highly accurate room temperature zone controllers, the passive heat transfer through large glass areas are optimally used. The under-floor heating system can be used, via heat exchangers and ground water use, as a highly comfortable noise and draft-free area cooling system. Sufficient cooling load of about 35 W/m² can be produced. For the operation only the low electrical power consumption of ground water pump, which is produced with the charge of the photovoltaic systems, is necessary. Equipped with optimized inverter concepts photovoltaic systems generate 100% of the electrical power for two heat pumps and ancillary units, and are also able to generate the electricity needs for four utilization units.