IEA Heat Pumping Technologies MAGAZINE Vol. 38, No. 3/2020

Vorwort

In seinem Vorwort diskutiert Hatef Madani (KTH Royal Institute of Technology, Schweden, sowie AIT Austrian Institute of Technology) kritisch den Begriff Digitalisierung im Bereich der Wärmepumpe. Er schlägt vor, an allererster Stelle die Frage zu beantworten, welche wichtigen Probleme in Zukunft durch Digitalisierung gelöst werden können. Hatef Madani sieht den größten Beitrag einer zukünftigen Digitalisierung in der Integration von Wärmepumpen mit anderen Systemen, einerseits auf Komponentenebene und andererseits auf Netzebene.

Zudem ergeben sich durch die heutzutage allgegenwärtigen smarten Geräte neue Möglichkeiten, um mit den gesammelten Daten interaktive und adaptive Lösungen für den Endkunden anzubieten.  Zuletzt warnt er davor, neue „coole" digitale Techniken in den Mittelpunkt zu stellen, ohne die bereits erwähnte kritische Frage nach dem Nutzen der digitalen Technik im Wärmepumpenbereich im Hinterkopf zu haben.

Kolumne

Lieve Helsen (KU Leuven – Energy Ville, Belgien) und Wim Boydens (Boydens Engineering sowie Ghent University, Belgien) diskutieren die Rolle der Wärmepumpen in einer CO₂-neutralen Welt. Dazu braucht es holistische Ansätze deren höchstes Ziel das Wohlbefinden der Menschen und der Natur ist. Beispiele für derartiger Ansätze finden sich im EU Projekt hybridGEOTABS. In diesem Projekt wurden erdgebundene Wärmepumpen zur Gebäudeteilaktivierung eingesetzt, um Gebäude zu heizen und zu kühlen. Zusätzlich zu den erdgebundenen Systemen wurden teilweise Sekundärtechnologien wie Luft/Wasser-Wärmepumpen eingesetzt, um Spitzenlasten abzufedern.

Die Regelung des Gebäudes wurde über einen modellbasierten Regler realisiert. Dieser übernahm die Aufgabe, die verschiedenen Technologien sinnvoll miteinander zu kombinieren, um das Gebäude nachhaltig zu betreiben. Wie immer auch zukünftige Konzepte aussehen werden, die Autoren heben hervor, dass die Wärmepumpe eine wichtige Rolle spielen wird. Wichtig wird sein, die Wärmepumpen möglichst sinnvoll mit den anderen erhältlichen Technologien (saisonale Speicher, Fernwärme/-kälte, PV, etc.) zu kombinieren und sie nicht in Konkurrenz zu diesen zu betrachten.

Schlussendlich werden wir alle Technologien gemeinsam benötigen, um in Zukunft möglichst wenig CO₂ auszustoßen.

Neuigkeiten

Thibaut Abergel (Desk officer fort he HPT TCP, IEA) berichtet über den von der IEA kürzlich vorgestellten Bericht über die Zukunft von Energietechnologien (Energy Technology Perspectives, ETP 2020). In den aktuellen ETPs werden verschieden Pfade aufgezeigt, um im Energiesektor bis 2070 weltweit Netto-Null CO₂-Emissionen zu erreichen. Dazu wurden über 800 Technologien analysiert und modelliert, wobei das Heat Pump Technology-Programm hierzu wichtige Beiträge geliefert hat. Um diese Ziele speziell in Gebäuden zu erreichen, müssen in Zukunft primär Wärmepumpen zur Heiz- und Warmwasserbereitung eingesetzt werden.

Zudem wird weltweit der Kühlbedarf deutlich stärker steigen als der Bedarf für Heizen. Da Wärmepumpen sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen eingesetzt werden können, und diese in Zukunft in höheren Stückzahlen produziert werden, wird ein gewisser Skalierungseffekt erwartet. Durch diesen sollen auch generell die Kosten von Wärmepumpen in Zukunft um bis zu 15% sinken.

Laufende Annex Projekte

• Annex 48: Industrial heat pumps, second phase, Teilnehmer: AT, CH, DK, FR, JP, UK, DE*
• Annex 49: Design and integration of heat pumps for nZEB, Teilnehmer: AT, BE, CH*, DE, NO, SE, UK, US
• Annex 50: Heat pumps in multi-family buildings for space heating and DHW: AT, DE*, FR, IT, NL
• Annex 51: Acoustic signature of heat pumps, Teilnehmer: AT*, DE, DK, FR, IT, SE
• Annex 52: Long term measurements of GSHP Systems performance in commercial, institutional and multi-family buildings, Teilnehmer: FI, NL, NO, SE*,US, UK, DE
• Annex 53: Advanced cooling/refrigeration technologies development, Teilnehmer: DE, IT, KR, US*, CN, SE
• Annex 54: Heat pump systems with low GWP refrigerants, Teilnehmer: AT, DE, FR, IT, JP, KR, US*
• Annex 55: Comfort and climate box, Teilnehmer: AT, CA, DE, FR, IT, NL*, SE, UK, US
• Annex 56: Internet of Things for Heat Pumps Teilnehmer: AT*, FR, DE, NO,CH

* kennzeichnet den Operating Agent

Annex Projekte stellen sich vor:

Im Annex 51, „Acoustic Signature of Heat Pumps", steht die Schallabstrahlung von Wärmepumpen im Mittelpunkt. Emittierter Schall von Wärmepumpen wird oft als störend wahrgenommen und stellt daher eine Barriere für die Marktdurchdringung v.a. von Luft/Wasser-Wärmepumpen dar. Um die Akzeptanz von Wärmepumpen zu steigern, die eine sinnvolle Lösung u.a. im Sanierungsfall darstellen, darf daher nicht nur das energetische Verhalten alleine betrachtet werden. Es braucht dynamische Untersuchungen und Modellierungen des akustischen Verhaltens. Im Rahmen des Annex 51 wurde deshalb die Kombination von beidem untersucht und simuliert. Beispielsweise konnten, im Rahmen einer Arbeit der RWTH Aachen, verschiedene Betriebsweisen für einen energetisch optimalen, aber auch akustisch optimalen Betrieb gefunden werden. Es wurden psychoakustische Test durchgeführt, um die verschiedenen Geräusche, die von einer Wärmepumpe emittiert werden, auch psychoakustisch bewerten zu können.

Weitere Informationen zum Annex 51

Im Rahmen des Annex 52, "Long-term measurements of GSHP systems performance in commercial, institutional and multi-family buildings", werden derzeit die Langzeitdaten von ca. 40 Fallstudien ausgewertet, bei denen verschiedenste Konfigurationen von erdgebunden Wärmepumpen gemonitort wurden. Die Auswertung von diesen verschiedenen Systemen soll Gebäudeeigentümern, Architekten und Technikern als Entscheidungshilfe im Designprozess dienen. Herstellern von Messequipment, Reglern und Fehlererkennungssoftware soll sie helfen, ihre Komponenten bzw. ihre Software zu verbessern. Bisher wurden schon fünf Artikel in Fachzeitschriften sowie frei zugängliche Messdaten von zwei Gebäuden veröffentlicht (open access). 

Weitere Informationen zum Annex 52

Im Rahmen des Annex 53, "Advanced cooling/refrigeration technologies development", werden vor allem alternative Konzepte für zukünftige Wärmepumpen untersucht. Die City University of Hong Kong präsentierte vor kurzem ein Konzept, in dem die Effizienz eines Absorptionsspeicher mit Hilfe eines Verdichters zwischen den unterschiedlichen Temperaturniveaus erhöht werden kann. Bei CNR/ITAE in Italien wurden optimierte Wärmeübertrager für Adsorptions-Wärmepumpen entwickelt, die in Zukunft kostengünstig hergestellt werden sollen. Die University of Maryland, USA untersucht das Potential von schichtweise aufgebauten elasto-kalorischen Systemen. Als Material kommt Ni-Ti zum Einsatz. Derzeit sind Experimente diesbezüglich im Gange.

Weitere Informationen zum Annex 53

Strategischer Ausblick für die VR China: Entwicklung des Wärmepumpenmarkts

Lingyan Yang von der China Academy of Building Research, CABR, berichtet über die Entwicklung des Wärmepumpenmarkts von Luft- und Erdgebunden Wärmepumpensystemen in China. Um die hohe Luftverschmutzung zu reduzieren, die zu einem großen Teil durch Heizen mit fossilen Brennstoffen entsteht, wird in China in den letzten Jahren verstärkt auf einen Übergang zu umweltfreundlichen Heizsystemen gesetzt. Von der Region abhängig wird zum Teil bereits der Einsatz von Kohleheizungen generell bzw. bei Temperaturen oberhalb von -12°C verboten.

Andererseits werden Luftwärmepumpen durch unterschiedlichste Maßnahmen gezielt gefördert. Abhängig von der Region gibt es bspw. lokal finanzielle Förderungen von bis zu 4350 USD (Tianjin-Region). Vor allem in öffentlichen und großen Gebäuden ist der Anteil an Erdwärmepumpen (inkl. Wasser/Wasser-Wärmepumpen) höher als in anderen Bereichen. In Verbindung mit Tiefenbohrungen werden die Systeme ganzjährig zum Heizen und Kühlen verwendet. Vor 2013 war China weltweit im vorderen Bereich im Bereich wachsender Verkaufszahlen von Erdwärmepumpen. Seit 2013 sinken diese jedoch. Gründe dafür sind, dass einige Regionen Grundwasserwärmepumpen verboten haben, nachdem in einigen fehlerhaft geplanten Projekten das Grundwasser nicht ausreichend regeneriert werden konnte. Dies führte zu Umweltproblemen und einem Imageschaden für diese Systeme.

Wie schon erwähnt, werden zudem Erdwärmepumpen zu einem großen Teil in großen öffentlichen Gebäuden eingesetzt. Seit 2013 gibt es jedoch einen Rückgang an jährlich neu gebauten öffentlichen Gebäuden, weshalb auch die Verkaufszahlen für große erdgebundene Wärmepumpensysteme zurückgeht. Dazu kommt, dass in mehreren Projekten die Wärmpumpensysteme schlecht ausgelegt waren, was einerseits zu Problem führte und andererseits die Menschen das Vertrauen in die Technologie verlieren lies. Da aber Erdwärmepumpen einen wichtigen Beitrag zum Übergang zur sauberen Energie liefern, werden auch diese Systeme in China in verschiedenster Form gefördert. Abhängig von der Region gibt es verschiedene finanzielle Fördermöglichkeiten. Zusammengefasst kann gesagt werden, dass der Wärmepumpenmarkt in China weiterwachsen wird. Ein jährliches Wachstum der Verkaufszahlen von 10% in den nächsten Jahren wird, mit Unterstützung der Politik, angestrebt um den Ausstieg aus den Kohleheizungen voranzutreiben.

Schwerpunktartikel: „Steuerung eines Wärmepumpensystems basierend auf Voraussagen der solaren Erträge"

Davide Rolando und Hatef Madani von der KTH, Schweden, berichten über ihre Arbeit, in der sie mit Hilfe von Prognosen der solaren Erträge, jährliche elektrische Energieeinsparungen von bis zu 10% in konventionellen Wärmepumpen erreichen konnten.

Derzeit werden Wärmepumpensysteme größtenteils über Heizkurven gesteuert. Abhängig vom Gebäudeaufbau und dem Verteilsystem sind im Regler stückweise linearisierte Kurven hinterlegt, welche die Abhängigkeit der Außentemperatur von der Vorlauftemperatur abbilden.

In Simulationen konnte bereits gezeigt werden, dass sich durch situations-angepasste Heizkurven Energie einsparen lässt. Rolando und Madani verfolgten den Ansatz aus lokalen Wetterprognosen, die für jeden leicht verfügbar sind, ein einfaches solares Profil und einen durchschnittlichen Bewölkungsgrad abzuleiten.

Wenn diese Voraussagen in adaptierten Heizkurven berücksichtigt wurden, konnte unter anderem im Frühjahr bei niedrigen Temperaturen und hohen solaren Erträgen deutlich Energie eingespart werden.

In Simulationen wurde schlussendlich gezeigt, dass mit diesem Vorgehen jährlich ca. 9% an Energie in einem Einfamilienhaus mit 125 m² in Stockholm eingespart werden kann. Da die Regelstrategie auf adaptierten Heizkurven basiert, die Wetterdaten und keine zusätzlichen Messungen verwendet, kann diese sogar in bestehenden Anlagen durch eine Aktualisierung der Reglersoftware implementiert werden.

Der Artikel "A heat pump system control based on solar gain prediction" zum Download

Schwerpunktartikel: „Controller-in-the-Loop - Neue Wege zur Optimierung von Kosten und Qualität von Wärmepumpenanlagen"

Andreas Sporr und Michael Lauermann berichten über einen „Controller-in-the-Loop" (CIL) - Ansatz, der es ermöglicht, Regler für Wärmepumpensysteme vorab an Simulationsmodellen zu testen. Dadurch kann die Anzahl von Prototypentests in Klimakammern reduziert werden und eine Vielzahl von Betriebssituationen vorab untersucht werden. Anhand eines praktischen Beispiels wird gezeigt, wie ein CIL Test mit Wärmepumpen funktionieren kann. Ein handelsüblicher Wärmepumpenregler wurde über Modbus RTU und eine serielle Schnittstelle mit der Software Ptolemy II am PC verbunden. Zudem wurde das Wärmepumpenmodell, welches in Dymola/Modelica mit TLK Thermo's TIL Bibliothek erstellt wurde, über eine FMU und Ptolemy II mit dem Regler verbunden. Schlussendlich konnte mit dieser Vorgehensweise das Verhalten eines realen Reglers für verschiedene Betriebsszenarien (bspw. abrupter Abfall des Wasser-Volumenstroms) erfolgreich getestet werden.

Der Artikel "Controller-in-the-loop" zum Download

Interessante Konferenzen 2021 und 2022

• 26. -29. April 2021, 13th IEA Heat Pump Conference 2020 Jeju, South Korea & Virtual
• 3. – 5. Mai 2021, Euroheat & Power, Vilnius, Lithuania & Virtual
• 13. -15. Mai 2021, 9th IIR Conference on Ammonia and CO2 Refrigeration Technologies, Ohrid, North Macedonia
• 23. – 27. Mai 2021 Purdue International Compressor Engineering, Refrigeration & AC, High Performance Buildings Conferences West Lafayette, Indiana, USA
• 6. – 10. Juni 2021, 9th International Conference on Caloric Cooling and Applications of Caloric Materials (Thermag IX), College Park, Maryland, USA
• 16. – 18. Juni, 2021, 2nd IIR Conference on HFOs and Low GWP blends (HFO2021), Mixed online and onsite Conference ,Osaka, Japan
• 21. – 23. Juni 2021 Healthy Buildings, Europe 2021, Oslo, Norway
• 26. – 30. Juni 2021, ASHRAE Annual Conference, Phoenix, AZ, USA
• 22. – 25. August 2021, International Sorption Heat Pump Conference 2021, Berlin, Germany
• 25. – 27. August 2021, 8th International Building Physics Conference (IBPC), Copenhagen, Denmark
• 1. – 3. September 2021, 13th IIR Conference on Phase-Change Materials and Slurries for Refrigeration
• and Air Conditioning, Vicenza, Italy
• 6th IIR Conference on Thermophysical
• 1. – 3. September 2021, Properties and Transfer Processes of refrigerants, Vicenza, Italy
• 6. – 8. September 2021, 12th International Conference on Compressors and their Systems, London, UK
• 13. – 15. September 2021 IAQ 2020: Indoor Environmental Quality Performance Approaches - Transitioning from IAQ to IEQ, Athens, Greece