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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Gesamtansicht des Quellen-HiL Prüfstandes. Mit den insgesamt 8 verfügbaren Hydraulikkreisen stehen drei Leistungsklassen zur Verfügung.
© E.ON Energy Research Center
Wärmepumpentechnik
Projektinfo 04/2018

Aufbau des entwickelten Demonstrators für die kombinierte Nutzung von Außen- und Abluft.
© Fraunhofer ISE

Prinzip des Senken-HiLs: abgebildetes Heizungsnetz, simulierte Umgebung (grau hinterlegt).
© E.ON Energy Research Center
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Doppelt heizt besser

Bei neuen oder sanierten Einfamilienhäusern mit geringem Energiebedarf sorgen immer häufiger Luft-Wasser-Wärmepumpen für die Wärmeversorgung. Sie haben im Vergleich zu Erdreichwärmepumpen deutlich geringere Anschaffungskosten und können problemlos in Niedertemperatur-Heizkreise integriert werden. Wissenschaftler aus Forschung und Industrie wollen die Effizienz der Systeme steigern, indem sie einerseits eine zweite Wärmequelle für die Wärmepumpe nutzen und andererseits den Wärmebedarf durch zentral geführte Einzelraum- und Vorlaufregelungen vermindern.

Wärmepumpen arbeiten umso effektiver, je geringer der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ist. In Wohngebäuden sorgen deshalb meist Fußbodenheizungen oder andere große Heizflächen dafür, dass die Heizwärmeverteilung auf niedrigen Temperaturen arbeitet. Das Temperaturniveau der Energiequellen ist jedoch in der Regel vorgegeben. Während einer Erdsonden-Wärmepumpe nahezu konstante Temperaturen im Bereich von 10 °C angeboten werden, sind bei einer Außenluft-Wärmepumpe Wärmeangebot und -bedarf gegenläufig. Gerade wenn eine hohe Heizleistung benötigt wird, also bei kalter Außenluft, arbeitet sie mit geringerer Effizienz. Wissenschaftler des Fraunhofer ISE haben untersucht, wie zusätzliche Wärmequellen auf vergleichsweise hohen Temperaturen das primäre Energieangebot ergänzen können. In Frage kommt beispielsweise Wärme aus Solaranlagen oder den zentralen Lüftungen hochgedämmter Wohnhäuser.
Die Forschungsarbeiten fanden in enger Abstimmung mit Kollegen des E.ON Research Center (ERC), der RWTH Aachen statt, die die Wärmeverteilung unter die Lupe nahmen. Sie zeigten Optimierungspotenziale auf, die sich aus verbesserten Regelstrategien für die bedarfsgerechte Einzelraumversorgung ergeben.

In Simulationsrechnungen und Laborversuchen führten die Projektpartner ihre Forschungsschwerpunkte für die Wärmequellen und -senken zusammen. Als Indus¬triepartner leitete, koordinierte und unterstützte der Heizungsbauer Vaillant die Forschungsarbeiten.

Im Fokus der Untersuchungen standen neu gebaute oder sanierte Einfamilienhäuser mit einem Energiebedarf von unter 120 kWh/a. Um die Vergleichbarkeit mit anderen Studien herzustellen, bezogen sich die Forscher in Simulationsrechnungen auf ein zweigeschossiges Wohnhaus mit einer Fläche von 140 m2, wie es durch die IEA SHC Task 44 modelliert ist. Als Randbedingung sind ein Heizwärmebedarf von 60 kWh/(m2a) und ein Warmwasserverbrauch von 17,7 kWh/(m2a) vorgegeben.

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Wärme aus zwei Quellen

Voruntersuchungen zeigten, dass Luft-Wasser-Kompaktgeräte im Aufbau einfach und kostengünstig bleiben, wenn sie Gebäudeabluft als zweite Wärmequelle nutzen. Deshalb bildete dieses Konzept einen Schwerpunkt der Forschungsarbeiten, angefangen von ersten Simula¬tionen, über die Optimierung des Verdampfers, bis hin zum Aufbau eines Demonstrators.

Ein weiteres Augenmerk galt der klassischen Luft-Wärmepumpe mit Außeneinheit, bei der eine thermische Solaranlage als ergänzende Wärmequelle dient. Die Berechnungen zeigten jedoch ein ungünstiges Verhältnis der Investitionskosten zum Mehrertrag. Zudem ist hier die Regelung besonders komplex. Sie muss, abhängig von den Betriebszuständen entscheiden, ob die Solaranlage als Wärmequelle für die Wärmepumpe dient, oder direkt in den Vorlauf der Heizwärmeverteilung einspeist. Das Konzept wurde aus wirtschaftlichen Gründen nicht weiterverfolgt, denn ein Hauptvorteil der Luft-Wasser-Wärmepumpe sind die geringen Systemkosten. Diesen Pluspunkt wollten die Forscher nicht aus der Hand geben. Die umfangreichen Simulationen verschiedener Systemvarianten zeigten zudem, dass eine vergleichbar große Photovoltaikanlage gegenüber der thermischen Solaranlage primärenergetisch vorteilhaft ist.

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Senkenmanagement
RWTH Aachen, E.ON ERC

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