Regelung für die Kombination von thermischen Solaranlagen mit Wärmepumpen

Aktenzeichen 19830/01
Zusammenfassung / Abstract: Dateigröße: 0.12 MB | Zuletzt geändert: 11.08.2009
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Projektträger: Christina HönigIngenieurbüro für rationellen Energieeinsatz
Bergsiedlung 33 a
01108 Dresden
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Telefon: 03 51/8 90 02 98
Internet: -
Bundesland: Sachsen
Beschreibung:
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Thermische Solaranlagen und Wärmepumpen werden häufig gemeinsam im gleichen Objekt eingesetzt.
Hierbei ist es sinnvoll, die Solaranlage auch zur Erhöhung der Quellentemperatur für die Wärmepumpe zu verwenden. Die Regelungen funktionieren zur Zeit unabhängig voneinander, so dass damit wesentliche Energieeinsparpotentiale verschenkt werden. Das Projekt soll zeigen, wie durch eine optimierte Regelung diese Kombination energetisch günstiger betrieben werden kann und damit der Stromeinsatz sinkt. Diese Regelung soll entwickelt und getestet werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer Ertrag thermischer Solaranlagen ist bei niedrigen Temperaturen im Kollektor wesentlich höher. Dadurch ist es möglich, hohe solare Wärmemengen der Wärmepumpe als günstige Energiequelle zuzuführen und damit deren Leistungszahl zu verbessern. Ausgehend von messtechnisch erfassten Werten und rechnerischen Prognosen soll ein bilanzierender Regelformalismus entwickelt werden, der den Bedarf des Hauses (Wärmemengen und Temperaturen) und die momentanen Möglichkeiten der thermi-schen Solaranlage und der Wärmepumpe aufeinander abstimmt. Entsprechend der bilanzierten Wärmemenge wird entschieden, ob es sinnvoller ist, die Solarwärme direkt in die Heizung bzw. Warmwasserbereitung einzuspeisen oder bei der Wärmepumpe durch eine höhere Quellentemperatur die Leis-tungszahl zu verbessern. Verwendet werden soll für die Regelungsaufgaben ein Basic-Tiger (Mikroprozessor). Das gestattet es uns, Änderungen im Ablauf flexibel vorzunehmen. Die Entwicklung soll in drei Schritten erfolgen:
Reglertyp 1: Durch die Trägheit üblicher Expansionsventile kann die Wärmepumpe nicht energetisch sinnvoll wechselnde Temperaturen verarbeiten. Daher ist es sinnvoll, in der ersten Variante die Quellentemperatur konstant zu halten. (Vorstufe für Typ 2)
Reglertyp 2: Die Entscheidung, welche Einspeisung energetisch am günstigsten ist, soll über eine Bilanzierung erfolgen. Hierbei sollte die Regelung so einfach gestaltet sein, dass die benötigten Werte von ihr selbst bestimmt werden können. (für alle Wärmepumpen geeignet)
Reglertyp 3: Die Nutzung höherer Temperaturen und eine Steigerung der Reaktionsschnelligkeit soll durch eine Modifizierung am Expansionsventil erfolgen. (nur für Ra-Wärmepumpen® geeignet). Durch die Optimierung der Einspeisereihenfolge der Solarerträge sinkt der Primärenergieeinsatz.


Ergebnisse und Diskussion

Reglertyp 1 wurde in einem Projekt 8 Monate betrieben und die Daten messtechnisch erfasst. Für Reglertyp 2 konnte ein geeignetes Messregime gefunden werden, für das unter der Nummer 102004042972.3 eine Patentanmeldung erfolgte. Es wurde eine einfach parametrisierbare Regelung entwickelt, die für alle Kollektortypen und Wärmepumpen verwendet werden kann. Sie wurde in einem Objekt installiert, getestet und optimiert. Wie angestrebt ist es damit möglich, die Verwendung der solaren Gewinne nach der günstigsten Einspeisereihenfolge zu wählen und damit den Einsatz von Strom als Hilfsenergie zu reduzieren. Als Regelungsparameter werden Temperaturen und Wärmemengen verwendet. Über die Wirkungsgradkennlinie des Kollektors und technische Daten der Wärmepumpe wird für die jeweiligen Randbedingungen (Strahlung, Außentemperatur, Temperaturen der einzelnen Verbraucher, Leistungszahlen der Wärmepumpe, Quellentemperatur der Wärmepumpe, besondere Randbedingungen wie Sperrzeiten) die optimale Einspeisereihenfolge für die solaren Gewinne ermittelt und die Priorität entsprechend bestimmt. Die wichtigen relevanten Systemparameter (Wirkungsgradkennlinie des Kollektors; Leistungszahlen in Abhängigkeit von der Temperatur für die Wärmepumpe) können in einem Startmenü gemessen oder (wenn bekannt) per Hand eingegeben werden. Damit ist gewährleistet, dass der Regler selbst die erforderlichen Eingaben bestimmt und damit das Betriebsverhalten steuert. Es wurde eine Computerschnittstelle geschaffen, die es ermöglicht, die Messergebnisse über den ganzen Tag aufzuzeichnen und Zwischenergebnisse zu kontrollieren. Aussagen zur Umweltentlastung wurden im Wesentlichen nicht experimentell gewonnen, weil zum einen hierfür im Untersuchungszeitraum nur sehr begrenzt Aussagen zur Verbesserung getroffen werden konnten, zum anderen experimentelle Aussagen nicht ohne weiteres verallgemeinert werden dürfen, weil viele Faktoren eine Rolle spielen, wie:
- die Auslegung des Erdabsorbers und damit die Temperaturen, die dort im jeweiligen Monat auftreten
- die benötigten Wärmemengen und Heizwassertemperaturen
- die Größe der Kollektorfläche, Ausrichtung, Dachneigung und Kollektortyp
- Speicherart und Speicherverhalten im Haus
Aus diesem Grund wurden die möglichen Einsparpotentiale durch die Regelung vorerst rechnerisch mit verschiedenen Methoden ermittelt. Genauere Verfahren hierzu sind sehr aufwendig, so dass Betrachtungen für ausgewählte Konfigurationen erfolgten. Die Einsparungen bewegten sich zwischen 0 und 17,4 % des gesamten Stromverbrauchs für Heizung und Warmwasserbereitung. Damit sind unter geeigneten Randbedingungen trotz der höheren Anfangsinvestition für die Regelung Amortisationszeiten unter 10 Jahren möglich. Eine Kostenreduzierung bei höheren Stückzahlen ist möglich. Durch die Umstellung vom Einsatz eines Mikroprozessors (BASIC-Tiger) zum Mikrokontroller (ATMega) konnte bereits eine wesentliche Senkung der Herstellungskosten erreicht werden.
Die anfangs befürchteten Probleme mit zu geringem Speicherplatz traten nicht auf. Es wurde keine sinnvolle Modifizierung zur Erhöhung der Reaktionsschnelligkeit im Kältekreis gefunden. Außerdem lassen die Prognosen zur Umweltentlastung keine wesentlichen Einsparungen durch die Modifizierung des Expansionsventils erwarten. Deshalb wurde kein Reglertyp 3 entwickelt.
Zur besseren Prognose des Einsparpotentials mit der neuen Regelung ist eine Software in Arbeit, die der Berechnung der Reduzierung des Stromverbrauchs dienen soll. Die Regelung muss noch weiter getestet und die Bedienerfreundlichkeit erhöht werden. Es fehlen noch Gehäuse, Tastatur, EMV-Test und Bedienungsanleitung. Kleinere Änderungen sind ebenfalls noch notwendig.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Regelung wird zur Zeit im Rahmen einer Diplomarbeit (Fachhochschule Merseburg; Versorgungs- und Haustechnik) geprüft. Diese Diplomarbeit war bereits Folge eines Vortrages auf der Messe Saalebau 2004. Der Vertrieb soll zunächst an Kunden der Fa. Reinhard Hönig Alternative Energieanlagen erfolgen und wenn sich die Regelung bewährt hat auch Kunden der WPsoft GbR angeboten werden. Die Regelung soll in Vorträgen (Haus 2005 Dresden und Forum Solarpraxis Nov. 2005) vorgestellt werden.


Fazit

Das avisierte Ziel wurde erreicht: Es konnte gezeigt werden, dass durch die optimierte Regelung die Kombination Wärmepumpe/ Solaranlage energetisch günstiger betrieben werden kann und damit der Stromeinsatz sinkt.
Die Messungen sollen im Winter und Frühjahr fortgesetzt werden.
Zur besseren Prognose des Einsparpotentials mit der neuen Regelung ist eine Software in Arbeit, die der Berechnung der Reduzierung des Stromverbrauchs dienen soll.
Die Einarbeitung in die Nutzung des ATMega ist für uns auch für andere Projekte sinnvoll. Er soll zukünftig auch für die Regelung eines neuen Wärmepumpenmoduls eingesetzt werden.

Förderzeitraum: 29.04.2003 - 28.10.2004 (1 Jahr und 6 Monate)
Fördersumme: 24.432,00
Förderbereich: I.2.1
Themengebiet: Umwelttechnik
Stichworte: Umweltforschung, Klimaschutz, Umwelttechnik, Ressourcenschonung
Publikationen: