Wärmepumpensysteme
Für eine vollständige Dekarbonisierung unseres Energiesystems leisten Wärmepumpen einen wichtigen Beitrag, da sie mit Hilfe von erneuerbarem Strom Umweltwärme nutzbar machen können. Die Implementierung von Wärmepumpen in ein bestehendes oder geplantes Energiesystem ist jedoch nicht immer eine einfache Aufgabe. Die komplexe Technik mit dynamischen COPs erfordert technisches Wissen und Können, um die Auslegung zu optimieren. Mit energyPRO können Sie sehr flexibel die verschiedensten Wärmepumpen mit den unterschiedlichsten Quellen abbilden und Ihr Energiesystem optimieren.
In vielerlei Hinsicht bestimmen Wärmepumpen die zukünftigen Wärme- und auch Kälteversorgung, da sie es ermöglichen, eine Kopplung zwischen erneuerbar erzeugtem Strom und Wärme auf effiziente Art umzusetzen. Für Ein- oder Mehrfamilienhäuser eignen sich Wärmepumpen besonders, da sie mit Hilfe von Umgebungswärme und Strom Temperaturen bereitstellen können, die für Raumheizung mit möglichst niedrigen Vorlauftemperaturen und auch zur Bereitstellung von Warmwasser genutzt werden können. Auch für Nah -und Fernwärmenetze kommen Wärmepumpen für die Wärmebereitstellung zum Einsatz. Dabei steigt die Effizienz direkt mit sinkender Vorlauftemperatur und damit die fallen die Betriebskosten, was Niedrigenergiehäuser und kalte Nahwärmenetze zum idealen Einsatzbereich der Technologie macht. Aber auch in Bestandsgebäuden finden Wärmepumpen in Verbindung mehrerer Anpassungen des Heizsystem Einzug. Im industriellen Bereich kommen Hochtemperaturwärmepumpen zur Anwendung und können Temperaturniveaus von bis zu 160°C, in Kombination von Hochtemperaturwärmequellen bereitstellen.
Typischerweise werden Wärmpumpen in Luft-, Wasser- oder Sole-Wärmepumpen klassifiziert, was jeweils das Medium auf der Quellenseite des Kreislaufes beschreibt – auf der Senkenseite wird in der Regel Wasser genutzt, seltener kommen auch Luft-Luft Wärmepumpen zum Einsatz.
Mögliche Quellen für Umgebungswärme sind vielseitig, wobei in kleinem Maßstab häufig Umgebungsluft oder oberflächennahe Erdwärme genutzt werden. Für Wärmenetze sind industrielle Abwärme, Abwasser bzw. Flusswärme oder ebenfalls Geothermie typisch. In Produktionsprozessen wird häufig Abwärme aus anderen Prozessschritten z.B. aus dem Kühlkreislauf genutzt. Welche Wärmequelle in das Energiesystem über eine Wärmepumpe eingebunden werden kann, ist von der Größenordnung, den Temperaturniveaus sowie den Potenzialen vor Ort abhängig.
Die Effizienz der Wärmepumpe wird durch die Jahresarbeitszahl (JAZ) ausgedrückt und gibt an, wie viele Teile Wärme aus einem Teil elektrischem Energieeinsatz gewonnen werden können. Beispielhaft würde eine Wärmepumpe mit einer JAZ von 3,5 pro eingesetzter kWh Strom 3,5 kWh Wärme erzeugen und dabei ca. 2,5 kWh an Umgebungswärme nutzen. Jedoch ist die JAZ keine fest zu einer Wärmepumpe fest vorgegebene Größe, sondern ergibt sich aus der Messung im praktischen Betrieb. Die Hersteller können nur für fest definierte Testbedingungen mit einheitlichen Quelltemperaturen die Wärmepumpeneffizienz über den Coefficient of Performance (COP) angeben, der das Verhältnis von Strominput und Wärmeoutput in bestimmten Betriebspunkten beschreibt. Zusätzlich wird für eine praxisbezogene Einschätzung und den besseren Vergleich von den Wärmepumpen für unterschiedliche definierte Klimazonen (für Nord-, Mittel- und Südeuropa) der SCOP (seasonal coefficient of performance) unter Berücksichtigung des Temperaturverlaufs und zusätzlicher Hilfsenergie Zusatzaggregate zu den Wärmepumpen mit angegeben.
Einbindung von Wärmepumpen in energyPRO
In energyPRO lassen sich sowohl einfache als auch komplexe Wärmepumpensysteme abbilden und auslegen. Mithilfe von vordefinierten Wärmepumpen mit hinterlegtem physikalischem Modell ist es möglich, die Parameter für einen Betriebspunkt aus technischen Datenblättern direkt einzugeben und eine typische Wärmeversorgung mit Wärmepumpen zu modellieren. Für diese Systeme sind in energyPRO bereits eine Vielzahl an Modulbeispielen hinterlegt, die sich einfach in das eigene Projekt laden lassen und nur noch über die externen Bedingungen zu Quelle und Senke definiert werden müssen. Mit den vorhandenen Möglichkeiten in energyPRO sind sowohl standardmäßige Wärmenetze als auch innovative Systeme gut abbildbar.
Über das Standardmodell hinaus können auch konkrete Kennlinien für COP, thermische und elektrische Kapazitäten mehrdimensional, d.h. für mehrere Quellen- oder Senkentemperaturen hinterlegt und die Genauigkeit des Systems verbessert werden. Über benutzerdefinierte Anlagen können Quellen (Inputs) und Senken (Outputs) über Formeln oder Funktionen definiert und entsprechend beliebig variable Größen hinterlegt werden. Insbesondere die Möglichkeit, Kennlinien über Umwandlungstabellen festzulegen, erlaubt es, Leistungskurven von Herstellerdaten in Abhängigkeit von Werten oder Zeitreihen und Vorlauftemperaturen direkt in das Wärmepumpen-Modell zu integrieren. energyPRO interpoliert in der Berechnung dann automatisch zwischen den Wertepaaren.
Als Abwärmequellen können einerseits feste Temperaturwerte (z.B. bei Flusswärmepumpen) oder Zeitreihen (z.B. Temperatur bei Luft-Wärmepumpen oder Bodentemperatur bei oberflächennahen Erdwärmepumpen) hinterlegt werden, doch auch komplexere Systeme sind denkbar. So kann für geothermische Systeme beispielsweise die Be- und Entladung eines Solesystems über den Jahresverlauf mit betrachtet werden. Auch ist es möglich, die Wärmequelle mit anderen Erzeugern im Modell zu verknüpfen, um beispielsweise Abwärme aus Industrieprozessen abzubilden.
Mit Hilfe der technischen und ökonomischen Modellierung in energyPRO ist es einfach ersichtlich, unter welchen Rahmenbedingungen die eingesetzten Wärmepumpen effizient und wirtschaftlich tragbar sind. Für jeden Zeitschritt wird die Leistungszahl und der entsprechende individuelle Stromverbrauch ermittelt und der Einsatz anhand der Wärmegestehungskosten optimiert. Somit kann beispielsweise auch gewährleistet werden, dass die Wärmepumpe bei Strommarktkopplung nur in Zeiten betrieben wird, in denen die Strompreise unter einem gewissen Niveau liegen, was gleichzeitig auf ein Überangebot an erneuerbarer Energie im Stromnetz schließen lässt.
Ein paar mögliche Anlagenkonzepte zur Modellierung von Wärmepumpen sind in der Beispieldatenbank hinterlegt und können auch ohne energyPRO-Lizenz betrachtet werden. Für weitere Informationen zur Anwendung in energyPRO verweisen wir auf die entsprechenden Projektbeispiele sowie auf das Video-Tutorial: