IEA Heat Pumping Technologies MAGAZINE Vol. 38, No. 1/2020

Das Thema dieser Ausgabe ist die Integration von Wärmepumpen in das zukünftige Energiesystem. Es wird gezeigt, dass gangbare Lösungen in Reichweite sind, das zukünftige Energiesystem zu gestalten und Wärmepumpen dabei eine wesentliche Rolle spielen werden.

Herausgeber: IEA Heat Pump Centre, 2020
Englisch, 36 Seiten

Inhaltsbeschreibung

Vorwort

Im Vorwort diskutiert Svend Pedersen (Operating Agent des Annex 47 und Danish Technological Institute, Dänemark) den Wandel des Energiesystems durch den Anspruch der drastischen Reduktion von Treibhausgasemissionen bei der Energieerzeugung. Ein Schlüsselelement dabei sind intelligente Energie- und Versorgungssysteme, in denen fluktuierende Energiequellen optimal integriert sind und viel mehr Flexibilität bei der Energieverteilung und beim Energieverbrauch ermöglicht wird.

Große und kleine Wärmepumpen, werden in Clustern zusammengefasst und können so als Ausgleichseinheiten im Netz fungieren und Flexibilitäten anbieten. Derzeit ist der wirtschaftliche Anreiz für den Verbraucher Wärmepumpen flexibel zu betreiben sehr gering, da der flexible Teil des Strompreises macht nur einen geringen Teil der Energiekosten ausmacht.

Weiters geht Pedersen auf den Artikel "Netzflexible Steuerung von Wärmepumpen" ein, der auf den Ergebnissen des EU-Projekts "Flexible heat and power " basiert. Hierin werden Möglichkeiten und Herausforderungen beschrieben, wenn Wärmepumpen als Ausgleichslast im Stromnetz eingesetzt werden. Pederson weist auf das große Wärmeeinsparpotenzial hin, wenn Abwärme genutzt wird.

Die Integration von Wärmepumpen in Fernwärmenetzen ist der wesentliche Inhalt des abgeschlossenen HPT Annex 47 "Wärmepumpen in Fernwärme und Fernkältesystemen". Ein darauf aufbauender neuer Annex mit dem Titel " Flexibilität durch Implementierung von Wärmepumpen in Multivektor-Energiesystemen und thermischen Netzen " wurde bereits vom HPT ExCo genehmigt und startet im heurigen Jahr.

Kolumne

In ihrer Kolumne diskutieren Kashif Nawaz, Kyle R Gluesenkamp und Viral K Patel von den Oak Ridge National Laboratories, USA den Einsatz von Wärmepumpentechnologien in unterschiedlichen Geräteanwendungen. Wärmepumpen-Warmwasserbereiter sind viel effizienter als herkömmliche Warmwasserbereiter, mit einem Potenzial den Energieverbrauch um mehr als 50% zu reduzieren.

F&E Arbeiten konzentrieren sich darauf das Kältemittel R-134a mit einem relativ hohem Treibhauspotential (GWP) zu substituieren. Die Untersuchungen zeigen vielversprechende Ergebnisse. Mit geringen baulichen Veränderungen können Alternativen mit niedrigem GWP und reduziertem Kältemitteleinsatz analoge Leistungen erwirken.

Weitere Anwendungsfelder der Wärmepumpentechnologie sind Wäschetrockner und Geschirrspüler. In den Vereinigten Staaten von Amerika werden durch die maschinelle Wäschetrocknung rund 185 TWh Primärenergie aufgewendet.

Die jüngsten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten konzentrieren sich auf die Anwendung von alternativen Wärmepumpenverfahren, wie zum Beispiel die Nutzung des Peltier-Effekts durch den thermoelektrischen Effekt. Bei diesem Verfahren können thermoelektrische Elemente in Kaskadenbauweise den Temperaturhub zum Wäschetrocknen energieeffizient erreichen. Auch für Geschirrspülautomaten wird die Anwendung dieser Technologie in Forschungs- und Entwicklungsprojekten untersucht.

Zum Gedenken an Gerald Groff, 1934-2019

Im September 2019 verlor die Internationale Wärmepumpengemeinschaft mit Gerald Groff ein langjähriges Mitglied und einen außergewöhnlichen Experten. Gerald Groff war mehr als 50 Jahre in internationalen Forschungs-, Management- und Marktaktivitäten im Bereich der Wärmepumpentechnologien tätig. Dem IEA Wärmepumpenprogramm war er von Beginn an stark verbunden, u.a. in der Unterstützung der Organisation und Abwicklung der alle drei Jahre stattfindenden IEA Heat Pump Conference im Zeitraum von 1984 bis 2014.

13th IEA Heat Pump Conference auf September verschoben

Die 13. IEA- Heat Pump Conference (HPC2020) wurde auf Grund der Covid 19 Krise auf Ende September verschoben. (21. – 24. September 2020 im Ramada Plaza Hotel Jeju Island, Südkorea). In welcher Form die Konferenz abgehalten werden kann, wird mit Mitte Mai entschieden. Weitere Aktualisierungen und Details werden auf der Konferenz-Website zur Verfügung gestellt – siehe www.hpc2020.org und www.heatpumpingtechnologies.org

IEA HPT Annex 56 Internet of Things (IoT) for Heat Pumps

Das HPT TCP heißt den neugestarteten Annex 56 willkommen. Der IoT-Annex 56 konzentriert sich auf Chancen und Herausforderungen von IoT-fähigen Wärmepumpen. Internet verbundene Geräte werden in Zukunft eine wichtige Rolle spielen, wenn es darum geht mehrere Ziele, wie z.B. erhöhten Komfort für den Benutzer, Reduzierung des Energieverbrauchs und Dekarbonisierung der Wärmeversorgung, zu erreichen.

Der Annex adressiert Wärmepumpen sowohl für Haushaltanwendungen als auch für gewerbliche und industrielle Anwendungen. Es soll eine breite Wissensbasis für verschiedene Interessengruppen und Marktakteure (OEMs, Wärmepumpen Hersteller, Berater, Installateure, Gesetzgeber usw.) geschaffen werden und in Folge sollen Anleitungen und Beiträge zur Entwicklung zukünftiger Standards geleistet werden.

Wärmepumpen als Schlüsseltechnologie für ein dekarbonisiertes Energieszenario in Großbritannien
Der britische Wärmepumpenverband (UK-Heat Pump Association) stellt die Rolle von Wärmepumpen in einem Fahrplan zu einem dekarbonisiertem Energieszenario 2050 in Großbritannien vor (HPA – 'Delivering Net Zero: A Roadmap for the Role of Heat Pumps). Drei Hauptpfeiler zur Zielerreichung werden dabei als essenziel angesehen:

Den Verbraucher in den Mittelpunkt des Wandels zu stellen;
die Qualifizierung der Installateure entsprechend zu verbessern und
die Zusammenarbeit mit der Regierung für eine unterstützende Politik sicherzustellen.

Download der Roadmap

Laufende Annexes

Im Annex 46 "Domestic Hot Water Heat Pumps" werden essenzielle Informationen zu Warmwasser-Wärmepumpentechnologien analysiert und nach Marktanwendungen strukturiert. Vom Endverbraucher bis zum Berater, vom Baugewerbe bis zum Politikgestalter soll ein besseres Verständnis zu den Möglichkeiten und deren Umsetzung erreicht werden, um den Primärenergieverbrauch, die CO2-Emissionen und Energiekosten niedrig zu halten. Wesentliche Erkenntnisse des Annexes betreffen den Einsatz von Kältemitteln mit niedrigem GWP, Fragestellungen zu Legionellen und dem energieeffizienten Design von Warmversorgungssystemen in Gebäuden.

Im Annex 49 "Design and Integration of Heat Pumps for nZEB", geht es um Technologien für Nearly Zero Energy Buildings (nZEB). Ab 2021 müssen alle neuen Gebäude in der EU diesen Standard erfüllen. Aus diesem Grund beschäftigt sich der Annex 49 mit den Technologien und Rahmenbedingungen in unterschiedlichen Ländern in denen nZEB zum Einsatz kommen können. Weiters werden auch Monitoringresultate von untersuchten Gebäuden vorgestellt.

Im Textbeitrag für den Annex 50 "Heat Pumps in Multi-Family Buidings for Space Heating and DHW" werden Fortschritte der laufenden Aktivitäten beschrieben. Eine „Systemmatrix als Werkzeug" wurde entwickelt, diese teilt die Projektierung eines Mehrfamilienhauses in drei Schritte. Im ersten Schritt wird zunächst eine Einteilung in eines von sieben Schemata vorgenommen, die den Typ und die Verwendung der Wärmepumpe im Allgemeinen beschreibt. Es folgt im zweiten Schritt eine Analyse durch eine detaillierte Beschreibung der Wärmepumpe. Eine Pro- und Contra-Bewertung erfolgt für jede Lösung. Im letzten Schritt wird ein Faktenblatt veröffentlicht, das den Praxisfall mit allen relevanten Informationen beschreiben kann, wie zum Beispiel Schemata und ein technisches Konzept.

Dank der Zusammenarbeit mit allen beteiligten Ländern war es möglich, eine große Anzahl erfolgreicher Beispiele von Wärmepumpen in Mehrparteiengebäuden zu sammeln und zu dokumentieren. All diese Informationen zu den Projekten sind auf der Annex Website zugänglich. Auf einer interaktiven Karte sind Bilder und eine kurze Beschreibung der Objekte mit Wärmepumpen verfügbar. Detaillierte Faktenblätter sind auch hinterlegt. Die Karte wird ständig mit neuen Gebäuden erweitert.

Das primäre Ziel von Annex 51 "Acoustic Signatur of Heat Pumps" ist es, die Akzeptanz von Wärmepumpen (als Luft/Wasser-, Wasser/Luft-, Luft/Luft- und Sole/Wasser-Einheiten) für Komfortzwecke hinsichtlich der Geräusch- und Schwingungsemissionen weiter zu erhöhen. Ein zweiter Schwerpunkt liegt in der Erweiterung des Wissens für Hersteller, Akustikberater, Installateure und Gesetzgeber in Bezug auf länderspezifische Richtlinien, optimale Platzierung der Wärmepumpen und Schallreduktionsmaßnahmen.

Das Sammeln und Kombinieren von Forschungsergebnissen in diesen Bereichen auf verschiedenen Umsetzungsebenen (Komponente, Einheit und Anwendung) wird schließlich zu verbesserten Komponenten, Einheiten und Kontrollstrategien führen als auch als Input in zukünftige Richtlinien und Standards sowie Schulungen dienen. Im Jahr 2019 wurden drei unterschiedliche Wärmepumpen in den jeweiligen Akustik-Laboren der teilnehmenden Institute vermessen und Messmethoden verglichen.

Der Annex 52 "Long Term Mesurements of GSHP Systems Performance in Comercial, Institutional And Multy-Family Buildings", berichtet über die laufenden Arbeiten. Es wurde eine Übersicht zu Langzeitbeobachtungen des energetischen Betriebsverhaltens von Erdreich-gekoppelten Wärmepumpen (GSHP) erstellt. In dieser werden Langzeitbeobachtungen mit Leistungsüberwachung von größeren GSHP-Systemen in knapp 60 Gebäuden zusammengefasst. Eine einheitliche Nomenklatur für die verwendeten Leistungsindikatoren wurde im Rahmen des Annexes definiert. Diese Definitionen stellen eine Erweiterung des SEPEMO-Schemas dar und werden nun an 40 Fallstudien getestet.

Weiters wird der mit 2020 gestartete Annex 56 "Internet of Things for Heat Pumps" vorgestellt. Die wesentlichen Ziele des Annexes sind

Bereitstellen von Leitlinien, Daten und Knowhow zu Wärmepumpen-technologien hinsichtlich IoT-Anwendungen;
Wissenserweiterung auf verschiedenen Ebenen (Komponentenhersteller, Wärmepumpenhersteller, Berater, Installateure, Gesetzgeber usw.);
Zur Verfügungstellung von Beiträgen, um künftige Normen und Standards mitzugestalten.

Marktbericht zu Japan

Dieser Artikel beschreibt Markttrends von Raumklimageräten, gewerblichen Klimaanlagen und Wärmepumpen-Warmwasserbereiter, die in den letzten 20 Jahren zu etablierten Produkten auf dem japanischen Wärmepumpenmarkt geworden sind. Weiters werden neueste Produkttechnologietrends beschrieben und ein Überblick über Trends bei der Verwendung von Industrie-Wärmepumpen gegeben.

Die Arbeiten im Rahmen des HPT Annex 48 dienten dazu als Informationsgrundlage. Schließlich wird die Rolle der Wärmepumpen in Japans Energieeinsparungspolitik beschrieben und die Richtung der technologischen Entwicklungen nach Sektoren der strategischen Energieeinsparungstechnologien dargelegt.

Der Autor Hideaki Maeyama kommt zu folgenden Schlussfolgerungen: Raumklimageräte verbessern sich von Jahr zu Jahr hinsichtlich Energieeffizienz und der Benutzerfreundlichkeit. Die Verkaufszahlen von Raumklimageräten haben im Jahr 2018 die Marke 9,8 Millionen Einheiten erreicht und ein mäßiges Wachstum ist zu verzeichnen.

Der Einsatz gewerblicher Klimaanlagen in Japan liegt in der Größenordnung von rund 800.000 Einheiten. Die Menge dieser Geräte ist über den Beobachtungszeitraum nahezu konstant geblieben. Hingegen sind bezüglich der Wärmepumpenanwendungen im Bereich Mehrparteienhäuser die Zahlen gewachsen und haben sich in den letzten zwanzig Jahren verdoppelt.

Die Anzahl der gelieferten Warmwasserbereiter mit Wärmepumpentechnik erreichten 480.000 Einheiten (2018). Für das Jahr 2030 werden insgesamt 14 Millionen Einheiten angestrebt.

Industrie-Wärmepumpen haben das Potenzial bis zu 440 TJ zu produzieren und damit Industriekessel zu ersetzen. Aussichtreiche Anwendungen werden in folgenden Industrien gesehen:

Nahrungsmittelindustrie,
Maschinenbau,
Chemie,
Elektronik,
Landwirtschaft/Fischerei und
Papierherstellung.

Auch in diesem Marktsegment wird ein starkes zukünftiges Wachstum erwartet.

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Leitartikel Annex 47: Heat Pumps in District Heating and Cooling Systems

Der Autor Svend Pederson (Senior Specialist, Danish Technological Institute, Denmark) beschreibt das technische Potenzial und die Erfahrungen zur Integration von Großwärmepumpen in Fernwärme- bzw. Fernkältenetze. Am Ende des Artikels formuliert Pederson sechs Erfolgsfaktoren für die sichere Planung und Umsetzung solcher Projekte.

Der Fernwärme im Allgemeinen und den an die Netze angeschlossenen Wärmepumpen im Besonderen wird eine Schlüsselrolle im Energienetz und in der Energieversorgung der Zukunft zugeschrieben. Mit dem Einsatz von Fernwärmenetzen ist es möglich bis zu 50 % des Wärmebedarfs in Europa zu decken. Wärmepumpen können dabei etwa 25 % der Wärmebereitstellung übernehmen.

Die Europäische Wärme-Roadmap beinhaltet vier Szenarien mit einem größeren Anteil von Fernwärme im Energiesystem und es wird vorgerechnet, dass die CO2-Emissionen im Vergleich zur heutigen Situation um mehr als 70% reduziert werden können.

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Leitartikel: Netzflexible Regelung von Wärmepumpen

Der Autor Markus LINDAHL vom RISE Research Institutes of Sweden hat den Leitartikel über Netzflexible Regelung von Wärmepumpen verfasst. Grundlage dieses Artikels bildet das EU-Projekts Flexible Heat and Power (FHP) (grant agreement No 731231) in dem das schwedische RISE-Forschungsinstitut zusammen mit anderen Projektpartnern, Möglichkeiten und Grenzen der externen Regelung heutiger und zukünftiger Wärmepumpensysteme evaluiert haben.

Geregelt wird der Stromverbrauch der Wärmepumpe aus Basis des Energieangebotes im elektrischem Netz. Sowohl die indirekte Regelung mit Übersteuerung des Temperatursensors als auch die direkte Regelung der Kompressordrehzahl wurde durch Labortests mit einer Erdreich-gekoppelten Wärmepumpe evaluiert. Die direkten regelungstechnischen Eingriffe erreichen die höhere Genauigkeit, während die indirekte Regelung sich bei mehr oder weniger allen Wärmepumpen einsetzen lässt.

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Veranstaltung und Konferenzen 2020 und 2021

(Vorbehaltlich Verschiebungen oder Absagen auf Grund der COVID19 Krise)

07. -11.06 2020, 9th International Conference on Caloric Cooling and Applications of Caloric Materials (Thermag IX), College Park, Maryland, USA
27.06 – 01.07.2020, ASHRAE Annual Conference, Austin, Texas, USA
01. - 03.07 2020, Asian Conference on Refrigeration and Air-conditioning, Hangzhou, China
01. - 03.07 2020, 8th Iberian-American Congress of Refrigeration Science and Technology (CYTEF 2020), Pamplona, Spain
13. - 16.07.2020, Purdue International Compressor Engineering, Refrigeration & AC, High Performance Buildings Conferences, West Lafayette, Indiana, USA
26. - 29.07.2020, IIR Rankine 2020 Conference – Advances in Cooling, Heating and Power Generation / Glasgow, United Kingdom
12. - 14.08.2020, 2020 Building Performance Analysis Conference & Simbuild Chicago, Illinois, USA
16. - 21.08.2020, 2020 Summer Study on Energy Efficiency in Buildings Pacific Grove, California, USA
02. - 04.09.2020, Compressors 2020 – 10th International Conference on Compressors and Coolants / Slovak University of Technology
08. - 10.09.2020, IRENA Innovation Week 2020/ Bonn, Germany
14. - 15.09.2020, Engineering Buildings, Systems and Environments for Effective Operation / Glasgow, UK
14. - 16.09.2020, Indoor Environmental Quality Performance Approaches - Transitioning from IAQ to IEQ / Athens, Greece
21. - 24.09.2020, 13th IEA Heat Pump Conference 2020, Jeju, South Korea
28. - 30.09.2020, ATMOsphere America 2020, Dallas, Texas, USA
01. - 02.10.2020, The Fourth International Conference on Efficient Building Design/ Beirut, Lebanon
13. - 14.10.2020, BuildSim Nordic 2020 Conference / Oslo, Norway
06. - 09.12.2020, 14th IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants Kyoto, Japan
10. - 11.12.2020/ International Symposium on New Refrigerants and Environmental Technology 2020/ Kobe, Japan
10. - 12.01.2021, Climamed 2021 /Lisbon, Portugal
23. - 27.01.2021, ASHRAE Winter Conference / Chicago, Illinois, USA

IEA Heat Pumping Technologies MAGAZINE Vol. 38, No. 1/2020