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Energetische Kennwerte und Regelstrategien von Abluft- und Fortluft-Wärmepumpen im realen Betrieb

Die Energiewende ist untrennbar mit den Begriffen Regenerative Energien, Effizienzsteigerung und Senkung der CO2-Emissionen verbunden. Eine wichtige Rolle werden dabei auch Wärmepumpen einnehmen, da sie aus der Umwelt Wärme entziehen können und mit möglichst regenerativ erzeugter Elektroenergie auf ein höheres Temperaturniveau anheben. Gerade bei Neubauten könnten diese verstärkt zum Einsatz kommen. Dazu kommt, dass Neubauten die geforderten energetischen Kennwerte (z.B. End- und Primärenergiebedarf) häufig nur noch mit Hilfe von eingebauten Lüftungsanlagen erreichen. Das energetische Potential der Ab- und Fortluft kann u.a. mit einer Wärmepumpe ausgeschöpft werden, die für die Zulufterwärmung, die Trinkwassererwärmung oder die Unterstützung der wasserbasierten Raumheizung genutzt werden kann.

Das konkrete Projektziel besteht hierzu in der Erstellung eines energetischen Bewertungsverfahrens für Ab- und Fortluftwärmepumpen (AFWP). Zunächst erfolgt eine Betrachtung der Bilanzgrenzen unterschiedlicher Typen multifunktionaler Lüftungseinheiten mit AFWP (Grenze um das Gesamtgerät, Grenze um die Wärmepumpe). Basierend auf den Bilanzgrenzen werden die Ein- und Ausgangsgrößen für das Rechenverfahren festgelegt. Es wird anschließend ein Rechenverfahren ermittelt, welches auf die Bestimmung einer Jahreseffizienz (z.B. Jahresarbeitszahl) abzielt. Parallel zu den theoretischen Untersuchungen werden Feldtest- und Labormessungen an diesen Gerätetypen vorgenommen. Für jeden Gerätetyp sollen (mindestens) zwei Feldtestanlagen mit zusätzlichen Sensoren ausgestattet werden. Hinsichtlich der Energieeffizienz und der Regelstrategien erfolgt eine Beurteilung und Optimierung. In einem zweiten Messzeitraum sollen angepasste/optimierte Regelstrategien hinsichtlich einer Effizienzerhöhung getestet werden.

Das neu entwickelte und an Hand der Labor- und Feldtestmessungen validierte Bewertungsverfahren soll als VDI-Arbeitsblatt 4650-3 standardisiert werden. Blatt 3 beinhaltet die Begriffe, Funktionskategorien sowie die grundlegende Struktur des Berechnungsganges. Zu jeder Kategorie von Lüftungsgeräten mit AFWP wird jeweils ein eigenes Berechnungsblatt entwickelt. Hierbei werden die aus den Versuchsstand und Feldtestmessungen ermittelten Messdaten und Kennwerte genutzt, um die normativen Ansätze für die gemessenen und daraus ableitbaren Konfigurationen zu validieren. Es werden verfügbare Prüfpunktdaten durch die Berücksichtigung der genannten Funktionalitäten mit tabellarischen Faktoren gewichtet und Jahresarbeitszahlen ausgewiesen. Die Wichtungsfaktoren beinhalten die spezifischen Randbedingungen der Anlagenkategorie (Abhängigkeit von der Außentemperatur, der Wärmerückgewinnung, Regelstrategie des Kompressors zur Ansteuerung des optimalen Betriebspunktes oder einer Maximierung der Energiebereitstellung an den Kondensatoren).

Da die Erfahrungen mit den unterschiedlichen Kategorien an Lüftungsanlagen aus der Praxis noch nicht ausreichend sind, werden diese auf eigenen Labortestständen untersucht. Aus den Versuchsstandmessungen werden Aussagen zum Teillastverhalten gewonnen und dienen der Erstellung eines qualitativen Referenzmodells des jeweiligen Anlagentyps. Dieses Referenzmodell liefert die notwendige Datenbasis für das Teillastverhalten und somit für die Faktoren des Tabellenverfahrens.

Laborteststand für Ab- und Fortluftwärmepumpen

© HTW Berlin

Prüfling auf dem Laborteststand für Ab- und Fortluftwärmepumpen

© HTW Berlin

Es werden Feldtestobjekte mit zusätzlicher Messtechnik und Informationssystemen (Controllerdaten, fernauslesbarer Datenlogger) ausgestattet. Sie liefern kontinuierlich Daten unter realen Nutzungsbedingungen, die die Grundlage für die Effizienzuntersuchungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen, der Optimierung der Regelstrategie bilden und der Validierung der Berechnungsverfahren dienen.

Weiterhin wird angestrebt, das Verfahren als Ausgangspunkt für ein Produktlabeling auf europäischer Ebene zu verwenden. Beim Labeling handelt es sich um Gerätekennwerte. Zu diesem Zweck wird eine zweite Jahresarbeitszahl berechnet, die die Bilanzgrenze „Gesamtgerät“ (Ventilator, Wärmerückgewinnung, Wärmepumpe) berücksichtigt.