Hochtemperatur-Wärmepumpe – Anleitung für Polysun
Hochtemperatur-Wärmepumpen gewinnen in der modernen Energietechnik zunehmend an Bedeutung. Dies gilt einerseits für die Modernisierung von Bestandsbauten mit hohen Vorlauftemperaturen. Andererseits spielen sie eine Schlüsselrolle bei industriellen Prozesswärmeanwendungen.
Dieser Artikel beschreibt die Simulation einer HT-Wärmepumpe im Polysun. Als technische Grundlage dient hierfür ein erweitertes CSV-Profil. Im Vergleich zum Standardmodell berücksichtigt dieses Profil die Temperaturdifferenzen an Verdampfer und Kondensator explizit. Dadurch interpoliert die Software die Leistungsdaten noch genauer. Folglich lässt sich das reale Betriebsverhalten der Anlage exakt abbilden.
Modellierung der Wärmepumpe
Um das thermodynamische Verhalten der HT-Wärmepumpe bis 144 °C über den gesamten Einsatzbereich präzise darzustellen, sind vier Einflussgrößen entscheidend:
- Verdampfertemperatur ( \(T_V\) ): Diese entspricht der Temperatur der gewählten Wärmequelle (wie Grundwasser, Sole oder Außenluft).
- Kondensatoraustrittstemperatur ( \(T_K\) ): Dies ist die Vorlauftemperatur des Heizsystems. Bei HT-Wärmepumpen liegt dieser Wert typischerweise deutlich über 55 °C.
- Temperaturdifferenz am Verdampfer ( ΔV ): Sie beschreibt die thermische Spreizung zwischen Eintritt und Austritt auf der Quellenseite.
- Temperaturdifferenz am Kondensator ( ΔK ): Diese Kennzahl definiert die Spreizung zwischen Eintritt und Austritt auf der Senkenseite (Heizkreis).
Hochtemperatur-Wärmepumpe: Erweiterung des Standardmodells
Die individuelle Berücksichtigung von Temperaturdifferenzen stellt eine wichtige Erweiterung der softwarebasierten Wärmepumpenmodellierung dar. Sie ermöglicht Planern eine weitaus präzisere Bestimmung der Arbeitspunkte. Dies ist besonders bei variablen Volumenströmen oder stark schwankenden Spreizungen von großem Vorteil.
Standardmodell
Im Standardmodell rechnet die Software mit fest hinterlegten, nicht editierbaren Temperaturdifferenzen. Daher ist eine flexible Anpassung an abweichende Betriebsbedingungen nur sehr eingeschränkt möglich.
Einstellbare Temperaturdifferenzen bei HT-Systemen
Hierbei handelt es sich um eine funktionale Erweiterung des bisherigen Modells. Anwender aktivieren diese Funktion einfach durch das Hinterlegen eines erweiterten CSV-Profils. Dadurch ergänzt Polysun die Standardfunktionalität um frei definierbare Temperaturdifferenzen.
Je nach gewähltem Wärmepumpentyp stehen Ihnen folgende Einstellmöglichkeiten zur Verfügung:
- Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen:
- ΔV (Verdampferseite): Temperaturdifferenz am Verdampfer einstellbar
- ΔK (Kondensatorseite): Temperaturdifferenz am Kondensator einstellbar
- Luft/Wasser-Wärmepumpen:
- ΔK (Kondensatorseite): Temperaturdifferenz am Kondensator einstellbar
- Die Spalte für das Verdampfer-Delta (ΔV) entfällt im Profil, da die Verdampferseite durch die Außenlufttemperatur bestimmt wird und keine primärseitige Spreizung definiert werden soll.
Hinweis: Die erweiterte Modellierung empfiehlt sich insbesondere für Anlagen, die außerhalb der Standard-Auslegungspunkte betrieben werden, etwa mit stark schwankenden Volumenströmen oder bei detaillierten Effizienzanalysen auf Basis realer Betriebsdaten.
CSV-Profil für HT-Wärmepumpen
Analog zu anderen modulierbaren Wärmepumpentypen definieren Sie die Stützstellen in einer Profil-Datei. Das CSV-Profil für Hochtemperatur-Wärmepumpen enthält jedoch zwei zusätzliche Spalten für die Temperaturdifferenzen.
Die vollständige CSV-Syntax lautet:#Leistungstufe[0-1];Verdampfer[°C];Kondensator[°C];Delta_V[K];Delta_K[K];HeizLeistung[W];ELeistung[W]
| Spaltenname | Bedeutung | Wertebereich / Hinweise |
|---|---|---|
| Leistungstufe | Teillastverhältnis | 0 = aus, 1 = Volllast |
| Verdampfer | Eintrittstemperatur auf der Quellenseite in °C | z. B. Grundwassertemperatur |
| Kondensator | Austrittstemperatur auf der Senkenseite (Vorlauf) in °C | typische HT-Bereiche: 70–100 °C |
| Delta_V | Temperaturdifferenz am Verdampfer in Kelvin | Spreizung Quelle (Eintritt – Austritt) |
| Delta_K | Temperaturdifferenz am Kondensator in Kelvin | Spreizung Senke (Rücklauf – Vorlauf) |
| HeizLeistung | Abgegebene thermische Leistung in Watt | positive Zahlen |
| ELeistung | Elektrische Leistungsaufnahme des Verdichters in Watt | positive Zahlen |
Beispieleinträge für eine Wasser/Wasser-Hochtemperatur-Wärmepumpe
#Name der Wärmepumpe;;;;
#Leistungstufe[0-1];#Verdampfer[°C];Kondensator[°C];Delta_V[K];Delta_K[K];HeizLeistung[W];ELeistung[W]
0.2;-20;35;3.0;5.0;8024.2;3040.1
0.3;-15;55;2.5;4.8;12500.0;4960.0
0.6;0;70;2.0;6.0;21000.0;9100.0
1.0;5;80;1.8;7.2;35000.0;16500.0
...Beispieleinträge für eine Luft/Wasser-Hochtemperatur-Wärmepumpe
#Name der Wärmepumpe;;;;
#Leistungstufe[0-1];#Verdampfer[°C];Kondensator[°C];Delta_K[K];HeizLeistung[W];ELeistung[W];
0.25;-20;35;5.0;4687.5;1521.2
0.5;-20;35;5.0;9375.0;3042.3
0.75;-20;35;5.0;14062.5;4563.5
1.0;-20;35;5.0;18750.0;6084.7
...Hinweise zur Berechnung und Simulation
Für eine fehlerfreie Simulation im Polysun Designer müssen Sie drei physikalische Grundregeln beachten:
- Wärmequellentemperatur: Die Verdampfertemperatur muss aus thermodynamischen Gründen stets unterhalb der Kondensatortemperatur liegen.
- Temperaturdifferenzen: Größere Spreizungen führen in der Praxis meist zu einem niedrigeren COP (Coefficient of Performance). Polysun berücksichtigt diesen Effekt präzise über die hinterlegten Werte im Profil.
- Fehlende Stützstellen: Sie müssen nicht für jeden erdenklichen Betriebspunkt eigene Stützstellen definieren. Das mathematische Interpolationsverfahren der Software arbeitet verlässlich mit den verfügbaren Daten. Bedenken Sie jedoch, dass die Genauigkeit mit jeder fehlenden Stützstelle leicht abnimmt.
Vorlagen für die Auslegung von Hochtemperatur-Wärmepumpen
In Polysun sind die folgenden Planungsvorlagen-Schemata für Hochtemperaturwärmepumpen vorhanden. Sie lassen sich erweitern und bearbeiten, wodurch sich die Dimensionierung der Wärmepumpe genau berechnen lässt.
61a: Luft-Wasser-Hochtemperaturwärmepumpe im Bestand
61b: Industrieprozess mit Hochtemperaturwärmepumpe
61c: Hochtemperiertes Nahwärmenetz mit BHKW und Hochtemperaturwärmepumpe
61d: Parallele Hochtemperaturwärmepumpen für Prozesswärme
Weitere Planungschemata für die Auslegung von Wärmepumpen mit Pufferspeicher finden Sie entweder in unserer Software oder in diesem Blogartikel, in dem sechs bewährte hydraulische Schemata dargestellt und erläutert werden.