Herkömmliche Luft-Wasser-Wärmepumpensysteme werden in großvolumigen Plus-Energie-Gebäuden und -Quartieren kaum zur Wärme-, Kälte- und Warmwasserbereitung eingesetzt, da sie weniger effizient und lauter als Sole- & Wasser Wärmepumpen sind, sowie zur Bildung lokaler Hitzeinseln im Sommer beitragen.

Am Weg zu urbanen Plus-Energie-Quartieren ist es notwendig, erneuerbare Energiequellen ressourcenschonend, effizient und emissionsfrei vor Ort zu nutzen und die gebäudetechnischen Systeme so energieeffizient wie möglich auszulegen. Untersuchungen haben gezeigt, dass mit den aktuell zur Deckung des Raumwärme-, Kühl- & Warmwasserbedarfs im großvolumigen Niedrig und Plus Energie Wohnbau eingesetzten Kombisystemen aus PV-Modulen, Wärmepumpen und diversen Energiespeichertechnologien, die Effizienzvorgaben für Niedrigstenergiegebäude (nZEB - nearly zero-energy building) nur erfüllt werden können, wenn die Gebäude höchste energetische Standards aufweisen und zudem die WP-Technologie hocheffizient arbeitet.

Großvolumige Bauvorhaben in dicht besiedelten urbanen Quartieren, wie sie im Zuge der Stadt der Zukunft verstärkt notwendig sind, weisen Charakteristika auf, welche die Erfüllung der Effizienzkriterien von Plus-Energie-Gebäuden mit Stand-der-Technik Lösungen erschweren bzw. unmöglich machen. Neben begrenzten PV-Flächen können mangels geeigneter alternativer Wärmequellen nur Luft/Wasser-Wärmepumpen in großer Zahl eingesetzt werden. Diese sind oft weniger energieeffizient als Sole- und Wasser-Wärmepumpen, emittieren zudem im Betrieb störenden Schall und bilden lokale Hitzeinseln.

CHALLENGE zielte daher darauf ab, das im H2020 Projekt HYBUILD vom Konsortium entwickelte Konzept einer Luft/Wasser-Wärmepumpen-Systemkombination durch Innovationen so weiterzuentwickeln, dass sie ohne die genannten nachteiligen Effekte in dicht bebauten, urbanen Gebieten in großvolumigen Plus-Energie Gebäuden bzw. Quartieren als Heiz, Kühl- & System zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden kann.

Um dieses Ziel zu erreichen, wurden ein in den Kältekreis integrierter Latentspeicher/Wärmeübertrager, der Kältekreis, und die Außeneinheit der Wärmepumpe komplett neu designt. Zudem wurde eine robuste und praxisnahe Gesamtsystemregelung entwickelt, die auf den neuen Kältekreis abgestimmt ist und die einzelnen Wohnungen optimal einbindet. Dazu wurden numerische Simulationen und experimentelle Messungen auf den verschiedenen Ebenen durchgeführt. Basierend auf Jahressimulationen wurden schlussendlich Jahresenergieverbrauch und Wirtschaftlichkeit des Konzepts berechnet und bewertet. Die Funktion des Konzepts wurde mit einem Funktionsmuster des Gesamtsystems im Labormaßstab nachgewiesen.

Die wichtigste Erkenntnis aus den umfangreichen Arbeiten im CHALLENGE-Projekt ist die Bestätigung, dass die sowohl die RPW-HEX-Speicher als auch die darauf aufbauend entwickelte Kältekreis-Konfiguration funktionieren. Das angestrebte Ziel, über ein Betriebsjahr mind. 10% an elektrischer Energie einzusparen, wurde mithilfe von Simulationsrechnungen nachgewiesen; die Einsparung an elektrischer Energie im Vergleich zur baugleichen Wärmepumpe beträgt sogar 38%. Die gesammelten Erfahrungen und unerwarteten Probleme hinsichtlich Design und Umsetzung der Funktionsmuster haben das Know-how aller Partner deutlich erhöht, diese Erfahrungen bringen den Unternehmen einen deutlichen Wissensvorsprung im Vergleich zu Mitbewerbern.

Das Know-how hinsichtlich Modellierung/Simulation (insbesondere in Form der nun vorliegenden Modelle) und Experimenten von/mit Latentspeichern/Wärmeübertragern und deren Kombination mit Kompressionswärmepumpen auf Komponenten- (Kältekreis) und Systemebene (hier insbesondere Regelungskonzepte) wurde stark ausgebaut und die internationale Sichtbarkeit wurde weiter erhöht. Das erarbeitete Wissen wird definitiv in weitere F&E-Projekte einfließen, ebenso wie das gewonnene Know-how hinsichtlich Optimierung von Kältekreisen, Komponentenauswahl sowie Regelungstechnik (insbesondere das Zusammenspiel einer zentralen Wärmepumpe mit dezentralen, in den Wohnungen eingesetzten dezentralen Speicher für die Heizung, Kühlung und Warmwasserbereitung in den Wohnungen) in die wirtschaftlichen Tätigkeiten der Industriepartner einfließen werden.
Abgesehen von der in weiterer Folge möglichen direkten Vermarktung von Wärmepumpen und Speichern an v.a. Endkunden, sind Zielgruppen für die Verwertung v.a. des Know-how und der wissenschaftlichen Methoden (1D- und CFD-Modellierung sowie Laborexperimente auf Komponenten- und Systemebene) Industrieunternehmen wie beispielsweise Speicher und Wärmepumpenhersteller, die Kältekreiskonzepte und Komponenten dafür entwickeln und optimieren können.

Trotz der umfangreichen Modellierungsarbeiten in CHALLENGE gibt es hinsichtlich der Latentspeicher/Wärmeübertrager weiteren Forschungsbedarf, v.a. Erhöhung der Speicherdichte und Leistungssteigerung. Zur Integration des in CHALLENGE erarbeiteten Wissens in das Produktportfolio eines Speicherherstellers wie AKG sollte ein mögliches Folgeprojekt jedenfalls die Konzepterstellung für weitere Speicher (insbesondere weitere unterschiedliche Geometrie-Strukturen) sowie die Validierung mit Experimenten umfassen.

Ein großer Fokus sollte künftig auch auf der Adaptierung des Konzepts auf zukunftssicherere Kältemittel wie bspw. Propan gelegt werden. Aufsetzend auf die bereits gewonnenen Erkenntnisse sollte einer etwaigen Laboranlage eine Demonstration folgen, bei der auch das innovative Gesamtregelungskonzept angewendet werden kann, um sommerliche Hitzeinseln und Lärmemissionen durch sparsamen Betrieb des Wärmepumpen-Außengeräts hintanzuhalten. Eine nicht-technische Herausforderung dabei ist sicherlich die nötige Überzeugungsarbeit bei etwaig gemischten Eigentumsverhältnissen in Plus-Energie-Gebäuden und Quartieren, gemeinsam in dieses nachhaltige und innovative Energiekonzept zu investieren. Die Überzeugungsarbeit ist umso nötiger, zumal das oftmalige Hauptkriterium, die Gestehungskosten für Raumwärme/-kühlung und Warmwasserbereitung, unter Vernachlässigung von CO₂-Emissionssteuern noch nicht unter jenen der Referenzsysteme liegen - ungeachtet aller Vorteile, die das CHALLENGE-Konzept ggb. den Referenzsystemen bietet, insbesondere Energieeffizienz, minimale CO₂-Emissionen, mäßiger Platzbedarf, geringste Schallemissionen sowie Vermeidung von Hitzeinseln – eine ganzheitlich optimierte, hoch-effiziente technische Lösung zur Bereitstellung von Heizung, Kühlung und Warmwasser in dicht besiedelten urbanen Gebieten.

Projektleitung

AIT Austrian Institute of Technology GmbH

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

• AKG Verwaltungsgesellschaft mbH
• Pink GmbH
• Ochsner Wärmepumpen GmbH

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