Reversible Wärmepumpe: Heizen und Kühlen mit einem Gerät

Eine reversible Wärmepumpe deckt mit einem einzigen Gerät sowohl den Heiz- als auch den Kühlbedarf eines Gebäudes. Im Winter arbeitet sie als Wärmepumpe, im Sommer kehrt sie den Kältekreis um und arbeitet als Kältemaschine. So lassen sich Raumheizung, Warmwasser und Gebäudekühlung in einem hydraulischen System kombinieren.

Dieser Artikel beschreibt die Simulation einer reversiblen Wärmepumpe in Polysun. Das zugrunde liegende Rechenmodell entspricht dem Standardmodell der Luft/Wasser-Wärmepumpe. Beide Betriebszustände – Heizen und Kühlen – wurden in derselben Komponente hinterlegt und im Verlauf der Simulation umgeschaltet.

Modellierung der reversiblen Wärmepumpe

Die reversible Wärmepumpe ist als Komponente mit zwei hydraulischen Anschlüssen abgebildet. Für beide Betriebszustände verwendet Polysun dasselbe Interpolationsverfahren wie für die Luft/Wasser-Wärmepumpe: Aus gemessenen Stützstellen für Leistung und Leistungsaufnahme werden die aktuelle thermische Leistung und die elektrische Leistungsaufnahme für jeden Zeitschritt interpoliert.

• Heizbetrieb: Die gewählte Wärmequelle (Aussenluft, Sole oder Wasser) dient als Wärmequelle, der Kondensator speist den Last- bzw. Speicherkreis. Bezugspunkt ist A7/W35, die Effizienz wird als COP ausgewiesen.
• Kühlbetrieb: Der thermodynamische Kreis wird umgekehrt. Der Lastkreis wird nun über den Verdampfer gekühlt, und die entzogene Wärme wird an die gewählte Quelle – jetzt Wärmesenke – abgegeben. Bezugspunkt ist A35/W18, die Effizienz wird als EER ausgewiesen.

Betriebszustand wählen: Heizen, Kühlen oder reversibel

Im Komponenten-Dialog der Wärmepumpe legen Sie über die Auswahl „Wärmepumpe Betriebszustand“ fest, wie das Gerät betrieben wird:

• Heizen – die Wärmepumpe erzeugt ausschliesslich Wärme.
• Kühlen – die Wärmepumpe arbeitet ausschliesslich als Kältemaschine.
• Reversible Wärmepumpe – das Gerät kann beide Betriebszustände einnehmen; die Umschaltung erfolgt während der Simulation.

Für eine reversible Anlage wählen Sie „Reversible Wärmepumpe“.

Umschalten zwischen Heiz- und Kühlbetrieb

Welcher Betriebszustand zu welchem Zeitpunkt aktiv ist, steuert die programmierbare Steuerung über den Ausgang „Betriebsmodus“:

Betriebsmodus	Steuerungs-Wert
Heizen	1
Kühlen	2

Üblicherweise wird der Betriebsmodus abhängig von der Jahreszeit, der Aussentemperatur oder dem aktuellen Heiz- bzw. Kühlbedarf des Gebäudes gesetzt. Die Konfiguration der Steuerungs-Ausgänge ist im Kapitel Programmierbare Steuerung beschrieben.

Hinweis: Der „Betriebsmodus“ der reversiblen Wärmepumpe ist unabhängig vom „Steuermodus“ der modulierenden Luft/Wasser-Wärmepumpe (wärmegeführt, stromgeführt, definierte Leistungsstufe). Er bestimmt ausschliesslich die Richtung des Kältekreises. Wird kein Betriebsmodus gesetzt, bleibt die Wärmepumpe im Heizbetrieb.

Katalogeintrag der reversiblen Wärmepumpe

Reversible Wärmepumpen im Katalog enthalten die Leistungsdaten für beide Betriebszustände. Die wichtigsten Felder:

Feld	Bedeutung
Heizleistung bei A7/W35	Thermische Heizleistung am Bezugspunkt
El. Leistung bei A7/W35	Elektrische Leistungsaufnahme im Heizbetrieb am Bezugspunkt
Kälteleistung bei A35/W18	Kälteleistung am Bezugspunkt
El. Kühlleistung bei A35/W18	Elektrische Leistungsaufnahme im Kühlbetrieb am Bezugspunkt
COP bei A7/W35	Leistungszahl im Heizbetrieb
EER bei A35/W18	Leistungszahl im Kühlbetrieb
Skalierungsfaktor	Faktor zur Skalierung sämtlicher Leistungsdaten (z. B. für parallele Geräte)
Temperatur Hochdruckstörung	Kondensator-Austrittstemperatur, oberhalb der die Wärmepumpe im Heizbetrieb abschaltet (Hochdruckabschaltung)
Niederdruckstörung (Lastkreis, Kühlung)	Minimale Vorlauftemperatur im Lastkreis im Kühlbetrieb; darunter schaltet die Wärmepumpe ab.
Wärmequelle	Wärmequelle bzw. -senke: Aussenluft, Sole oder Wasser

Zusätzlich stehen im Komponenten-Dialog die Platzierungs-Felder „Umgebung“ (aussen/innen), „Einbauort“ und „Wärmeverluste an beheizte Räume“ zur Verfügung – analog zur Luft/Wasser-Wärmepumpe.

Stützstellen aus Profildateien

Wie bei den übrigen Wärmepumpentypen lassen sich die Stützstellen entweder direkt in den Katalogfeldern eintragen oder aus einer Profildatei einlesen. Die Datei muss im Polysun-Datenverzeichnis im Ordner „profiles“ liegen und im „csv“-Format vorliegen.

Die reversible Wärmepumpe verwendet zwei getrennte Profildateien:

• eine Profildatei für den Heizbetrieb,
• eine Profildatei für den Kühlbetrieb.

Beide Dateien sind gleich aufgebaut wie die Profildatei der Luft/Wasser-Wärmepumpe. Die Heiz-Profildatei enthält die Heizleistung, die Kühl-Profildatei die Kälteleistung; Bezugspunkt der Kühldaten ist A35/W18.

Aufbau der Heiz-Profildatei:

#Name der Wärmepumpe;;;;
#Verdampfer[°C];Kondensator[°C];HeizLeistung[W];ElektrischeLeistung[W]

20;35;20800;4100
10;35;18700;4100
…

Im Heizbetrieb entspricht „Verdampfer“ der Temperatur der Wärmequelle (z. B. Aussenluft) und „Kondensator“ der Vorlauftemperatur des Lastkreises. Im Kühlbetrieb kehrt sich die Zuordnung der Temperaturniveaus um: „Verdampfer“ bezeichnet dann die (kalte) Vorlauftemperatur des Kühlkreises, „Kondensator“ die Temperatur der Wärmesenke (z. B. Aussenluft).

Für die Formatierung gelten dieselben Regeln wie bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe (Trennzeichen „;“, alle Kopfzeilen mit „#“, keine Zeilen mit fehlenden Werten, keine doppelten Stützpunkte).

Hinweise zur Berechnung und Simulation

• Umschaltung nur über die Steuerung: Die reversible Wärmepumpe wechselt den Betriebszustand ausschliesslich über den Steuerungs-Ausgang „Betriebsmodus“ (1 = Heizen, 2 = Kühlen).
• Wärmequelle wird zur Wärmesenke: Im Kühlbetrieb gibt die Wärmepumpe die dem Gebäude entzogene Wärme an die im Katalog gewählte Quelle ab. Bei der Auslegung der Quelle (z. B. Erdsonden) ist dieser zusätzliche Wärmeeintrag zu berücksichtigen.
• Hochdruckstörung: Überschreitet die Kondensator-Austrittstemperatur den Wert „Temperatur Hochdruckstörung“, schaltet die Wärmepumpe im Heizbetrieb ab.
• Niederdruckstörung (Lastkreis, Kühlung): Unterschreitet die Vorlauftemperatur im Lastkreis den hinterlegten Wert, schaltet die Wärmepumpe im Kühlbetrieb ab. Dies verhindert Vereisung bzw. Kondensatbildung.
• Modulation im Kühlbetrieb: Für den Kühlbetrieb stehen die Modulationsarten „Keine“ und „Nach Bedarf“ zur Verfügung. 
• Anfahrverluste sind – wie im Standardmodell – nicht berücksichtigt.

Ergebnisse der Simulation

In der Ergebnis-Übersicht der Komponente werden Heiz- und Kühlbetrieb getrennt ausgewiesen:

Bezeichnung	Symbol	Einheit	Bedeutung
Energie vom/zum System	Qaux	MWh	An das System abgegebene Heizenergie
Kühlenergie vom/zum System	Qaux_cooling	MWh	Dem System entzogene Kühlenergie (negatives Vorzeichen)
Brennstoff- und Strom-Verbrauch	Eaux	kWh	Elektrische Energieaufnahme (Heizen und Kühlen)
Arbeitszahl	COP	–	Jahresarbeitszahl im Heizbetrieb
Arbeitszahl Kühlung	EER	–	Jahresarbeitszahl im Kühlbetrieb
Status	%	–	Mittlere Leistungsstufe
Betriebsdauer	h	–	Betriebsstunden
Anzahl Einschaltungen	–	–	Anzahl Verdichterstarts

In der Resultate-Übersicht der Variante erscheint die Kühlenergie zusätzlich als „Abgegebene Kühlenergie“ (Qaux_cooling).

Vorlagen

Für die Planung reversibler Wärmepumpensysteme liegt diese Standardvorlage vor: „Variante 70 m: Reversible Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Puffer und Kältespeicher“. Die reversible Wärmepumpe versorgt einen Heizkreis mit Pufferspeicher und einen – über die Betriebsmodus-Umschaltung und zwei 3-Wege-Ventile davon getrennten – Kühlkreis mit Kältespeicher. Heiz- und Kühlkreis sind je über einen eigenen Verteiler mit Umwälzpumpe an ein Mehrfamilienhaus angeschlossen.