Luft/Wasser-Wärmepumpen
Im Luft/Wasser-Wärmepumpen-Katalog sowie Wasser/Wasser-Wärmepumpen-Katalog gibt es zwei Möglichkeiten, um die Stützstellen der Wärmepumpe zu definieren. Einerseits können die Stützstellen direkt in den vorgesehenen Datenbankfeldern eingetragen werden (z.B. „Heizleistung bei A20W35“, „El. Leistung bei A20W35“). Alternativ können die Stützstellen von einer Datei eingelesen werden. Dazu muss im Feld „Dateiname“ die entsprechende Datei gesetzt werden. Die Datei muss im Polysun-Datenverzeichnis im Ordner „profiles“ liegen (in Windows 7 standardmässig „C:UsersPublicPolysunprofiles“). Die Datei ist im „csv“-Format. Das Datenformat unterscheidet sich für die verschiedenen Wärmepumpen-Typen und ist in den jeweiligen Unterkapiteln aufgeführt.
Die Datenpunkte in der Datei ersetzen die Einträge in den Spalten „Heizleistung bei XX“ und „El. Leistung bei XX“, diese müssen folglich nicht mehr eingetragen werden. Die übrigen Spalten, insbesondere „DeltaT bei A7/W35“, müssen eingetragen sein.
In der Datei können Stützpunkte für beliebige Verdampfer- und Kondensator- Temperaturen eingetragen werden.
Standard-Wärmepumpen
Die Luft/Wasser-Wärmepumpe ist als Komponente mit zwei hydraulischen Anschlüssen in Polysun abgebildet. Das Modell basiert auf den Eingabewerten Heizleistung und Leistungsaufnahme welche durch die Prüfnorm EN 255 oder EN14511an vordefinierten Stützstellen (z.B. A2/W35) gemessen werden. Die von der Wärmepumpe aufgenommene elektrische Leistung wird durch eine Interpolation der Stützstellen berechnet. Die thermische Heizleistung wird über eine Interpolation der entsprechenden Gütegrade der Stützstellen bestimmt.
Vereisung und Abtauverhalten werden durch die Norm ebenfalls berücksichtigt und können somit in Polysun simuliert werden. Dazu müssen die Stützstellen so eingetragen werden, dass in der elektrischen Leistung die Abtauzylen mit berücksichtigt sind. Die Anfahrverluste der Wärmepumpe sind im Modell nicht berücksichtigt.
Dieses Modell gilt für taktende Wärmepumpen. Drehzahlvariable Wärmepumpen sind im Abschnitt Modulierende Luft/Wasser-Wärmepumpe beschrieben.
Die Resultate „Energie vom/zum System“ und „Endenergie“ beinhalten die Leistung der Wärmepumpe und die des internen Heizstabs, falls die Zusatzheizung eingeschaltet wurde. Um den COP (Coefficent of Performance) für einen Zeitschritt zu berechnen, wird die Leistung des internen Heizstabs jedoch von den Resultaten abgezogen. Das Resultat „Arbeitszahl“ ist somit nur für den Kompressor gültig und nicht für die ganze Wärmepumpe.
Die Berechnung der Arbeitszahl berücksichtigt die Energieaufnahme des Kompressors, der internen Umwälzpumpe, des Ventilators und die abgegebene Wärmeleistung.
In einem Hydraulikschema kann zwischen einem Brenner und einer Wärmepumpe gewechselt werden, indem die Auswahl des Wärmeerzeugers entsprechend gesetzt wird.
Die wärmepumpenspezifischen Betriebszeiten können über die im Heizungsregler befindlichen Parameter „minimale Laufzeit“ und „minimale Stillstandszeit“ definiert werden.
Q wird aus den Messwerten implementiert, dazu ist \(T_{v}\) notwendig. Diese wir angenähert durch \(T_{U} = \frac{Q^{‚}}{k} \cdot V – T_{i}\) (1) wobei \(k = \frac{Q_{ref}}{V_{ref}} \cdot \frac{1}{deltaT_{ref}}\) (2) und Q’ aus dem Zeitschritt vorher oder beim Einschalten der Wärmepumpe \(Q^{‚} = Q_{ref}\) . Damit berechnet Polysun mit Q’, V, Ti die Austrittstemperatur.
In der Version (4.0.5.3) wurde immer mit \(deltaT_{ref}\) gerechnet.
Also: die Berechnung erlaubt die korrekte Berechnung auch für willkürliche gewählte v.
Ausnahmen: für (1) und (2): Interne Wärmetauscher ist gut genug für die Übertragung der gesamten Leistung. Formalismus wird ungenau für V << Vref.
Katalogeintrag mit Stützstellen aus Datei
Das Datenformat für die Definition der Stützstellen in einer Profil-Datei ist wie folgt:
#Name der Wärmepumpe;;;;
#Verdampfer[°C];Kondensator[°C];HeizLeistung[W];ElektrischeLeistung[W]
20;35;20800;4100
10;35;18700;4100
…
…
Modulierende Wärmepumpen
Die modulierende Luft/Wasser-Wärmepumpe ist als Erweiterung der Luft/Wasser- Wärmepumpe in Polysun integriert. Die Funktionsweise lehnt sich stark an das Modell der Luft/Wasser-Wärmepumpe an. Wo nicht anders definiert ist gelten die Aussagen zum Modell der Luft/Wasser-Wärmepumpe. Nachfolgend eine Übersicht der verschiedenen Modulations-Arten, welche in Polysun verfügbar sind (die Modulations-Art ist als Feld in dem Luft/Wasser-Wärmepumpen-Katalog verfügbar):
Tabelle: Modulations-Arten für Luft/Wasser-Wärmepumpen
| Modulation | |
| Keine | Nicht modulierende Wärmepumpe, siehe Luft/Wasser-Wärmetauscher. |
| Nach Bedarf | Die Modulation erfolgt stufenlos aufgrund der gewünschten thermischen Abgabeleistung. Genaueres im nächsten Unterabschnitt. |
| Zweistufig | Die Modulation erfolgt in zwei Stufen aufgrund der gewünschten thermischen Abgabeleistung. |
Für nach Bedarf und zweistufig geregelte Wärmepumpen können verschiedene Betriebs-Modi über die Regler eingestellt werden. Dem Betriebsmodus übergeordnet ist stets der Steuerungs-Wert „Status“ der Wärmepumpe. Wird dieser auf 0 gesetzt, ist die Wärmepumpe in jedem Fall, also unabhängig vom Betriebsmodus, ausgeschaltet. Ist der Status auf 1, so läuft die Wärmepumpe in jedem Fall mindestens auf der niedrigsten Leistungsstufe. Damit schaltet die Wärmepumpe nicht aus wenn z.B. der Wärmepumpe im Betriebsmodus „Definierte Leistungsstufe“ über „Gewünschte Leistungsstufe“ eine 0 übergeben wird. Die Wärmepumpe muss über den Status ausgeschaltet werden.
Soll der Betriebs-Modus gesteuert werden, muss in der programmierbaren Steuerung als Ausgang „Wärmepumpe: Steuermodus“ gesetzt sein. Für jeden Betriebszustand muss für diesen Ausgang ein Zahlenwert, der einem bestimmten Betriebsmodus entspricht, zugeordnet werden. In der nachfolgenden Tabelle sind in der Spalte „Steuerungs-Wert“ diese Zahlenwerte aufgeführt.
Je nach Betriebsmodus muss der Wärmepumpe eine zusätzliche Information übergeben werden. Diese wird über einen weiteren Ausgang in der Steuerung gesetzt. Diese zusätzlichen Ausgänge müssen dann in jedem Betriebszustand der Steuerung einen Wert zugewiesen haben, welcher jedoch nur berücksichtigt wird, wenn der Betriebsmodus entsprechend eingestellt ist. Die nachfolgende Tabelle listet die möglichen Betriebsmodi auf.
Tabelle: Betriesmodi
| Beschreibung | Steuerungs- Wert | Weitere Steuerungs-Ausgänge | Funktionsbeschreibung |
| Fix maximale Leistung | 0 | – | Die Wärmepumpe läuft auf der maximalen Leistungsstufe |
| Wärmegeführt | 1 | „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ | Die Wärmepumpe gibt möglichst die über den Steuerungswert „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ gewünschte thermische Leistung ab. (Default-Modus) |
| Stromgeführt | 2 | „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ | Die Wärmepumpe nimmt möglichst die über den Steuerungswert „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ verfügbare elektrische Leistung auf. |
| Definierte Leistungsstufe | 3 | „Geregelte Leistungsstufe“ | Die Wärmepumpe wird mit der am nächsten der „Gewünschte Leistungsstufe“ entsprechenden Leistungsstufe betrieben. |
Wird bei Betriebsmodus 1, 2 oder 3 der zusätzliche Steuerungs-Ausgang nicht konfiguriert, wird die Wärmepumpe auf der maximalen Leistungsstufe betrieben.
Wird der Betriebsmodus über die Steuerung nicht gesetzt, so wird standardmässig im Betriebsmodus „Wärmegeführt“ gearbeitet.
Stellt die im Katalog gewählte Wärmepumpe keine ansteuerbare Leistungsregelung zur Verfügung (Feld „Modulierend“) werden die in der obigen Tabelle aufgeführten Steuerungs-Werte nicht berücksichtigt. „Steuerungsmodus“, „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ und „Geregelte Leistungsstufe“ sind in diesem Fall in der Steuerungs-Konfiguration nicht wählbar.
Für den klassischen Fall der Leistungsregelung nach Wärmebedarf stehen zwei Konfigurationsmöglichkeiten zur Verfügung. Für die Einstellung des Steuerungs-Parameters gibt es zwei Möglichkeiten. Mit der Wärmeerzeuger-Steuerung kann analog zum Heizkessel-Modell für die Speicher-Ladung auf eine konstante Vorlauf-Temperatur geregelt werden. Dabei wird der „Steuermodus“ implizit auf „Wärmegeführt“ gesetzt. Die Steuerungsein-/ausgänge werden wie für einen modulierenden Heizkessel eingestellt.
Die komplexere Ansteuerungs-Möglichkeit erfolgt mittels einer programmierbaren Steuerung, wobei mit Hilfe der Funktion HEATINGCURVE, also mittels der Heizkurve, die aktuell erforderliche Vorlauftemperatur für den Heizkreis und daraus mit der Funktion MATCHFLOW weiter die benötigte thermische Abgabeleistung berechnet werden. Diese gewünschte thermische Leistung wird dann über einen Steuerungs-Ausgang an „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ übermittelt. Bei so gesteuerten Systemen ist es sehr wichtig, darauf zu achten, dass die Grösse der Wärmepumpe und die Parameter der Funktion HEATINGCURVE (genaue Beschreibung im Kapitel Programmierbare Steuerung) auf das zu beheizende Gebäude und den Standort abgestimmt sind. Ist die Heizkurve nicht passend konfiguriert, so moduliert die Wärmepumpe im schlechtesten Fall auf eine zu kleine Leistungsstufe und kann den Energiebedarf nicht abdecken. Ist hingegen die Kurve so eingestellt, dass die Wärmepumpe konstant mehr Energie als erforderlich liefert, fällt diese auf den Ein-/Aus-Betrieb zurück statt mit einer geringeren Leistungsstufe und höherer Effizienz durchgehend in Betrieb zu sein. In einem solchen Fall wird das Potential der Leistungsregelung nicht ausgeschöpft.
Wird die Wärmepumpe auch für die Warmwasser-Aufbereitung verwendet, ist es ideal, die Wärmepumpe für den Warmwasser-Aufbereitungs-Betrieb auf reduzierter Leistung zu betreiben. Dies kann mit dem Betriebsmodus „Definierte Leistungsstufe“ gesteuert werden.
Stufenlos modulierende Luft/Wasser-Wärmepumpe
Das Modell für stufenlos modulierende Luft/Wasser-Wärmepumpen wurde im Rahmen des Projekts „Implementierung der leistungsgeregelten Luft/Wasser-Wärmepumpe aus dem BFE-Projekt „Effiziente Luft/Wasser-Wärmepumpen durch kontinuierliche Leistungsregelung“ in der Simulationssoftware Polysun“ [x] entwickelt.
Wie die anderen Modelle für Wärmepumpen in Polysun basiert auch das Modell für stufenlos modulierende Luft/Wasser-Wärmepumpen auf einem Interpolationsverfahren. Das Kennlinienfeld wird mit einer Anzahl Messpunkten beschrieben, die in einer Textdatei abgelegt sind. Die Stützpunkte müssen zwingend als Profildatei hinterlegt sein. Das Format ist:
#Name der Wärmepumpe;;;;
#Leistungsstufe[0-1];Verdampfer[°C];Kondensator[°C];HeizLeistung[W];ElektrischeLeistung[W]
1;-20;30;5313;2310
1;-12;30;6745;2448.7
1;-2;30;8739;2553.3…
…
…
0.5;-20;50;2520;1602.034329
0.5;-12;50;3158.1;1683.788578
0.5;-2;50;3989.74;1687.274583
Wobei „Verdampfer“ der Aussentemperatur und „Kondensator“ der Vorlauftemperatur entspricht. Dieses Eingabe-Format erlaubt die übersichtliche Verarbeitung der Daten in einem Tabellenverarbeitungs-Programm wie Microsoft Excel.
Für eine gute Genauigkeit der Resultate sollten insgesamt mindestens 140 Stützstellen definiert werden. Die Datenpunkte sollten den erwarteten Arbeitsbereich abdecken. Für die Simulation von Wohnhaus-Anlagen ist es ideal, wenn die Datenpunkte über den Wertebereich von -20 °C bis +20 °C Aussentemperatur (= Verdampfer-Temperatur) und 30 °C bis 60 °C Vorlauftemperatur (= Kondensator-Temperatur) verteilt sind. In der Simulation kann es sein, dass in einem Zeitschritt ein Arbeitspunkt ausserhalb des in der Datei definierten Temperatur-Bereichs benötigt wird. Ist dies der Fall, wird programmatisch die Datenkurve flach weitergeführt, wie im untenstehenden Diagramm 1 als gestrichelte Linien dargestellt ist.
In jedem Zeitschritt muss für die Simulation die von der Wärmepumpe aufgenommene elektrische Leistung und abgegebene thermische Leistung berechnet werden.
Im wärmegeführten Betrieb, also dem Standardfall, wird von einem Regler, siehe Kapitel Modulierende Luft/Wasser-Wärmepumpe, die benötigte thermische Leistung berechnet. Die Leistung wird über einen Steuerungs-Ausgang an „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ der Wärmepumpen-Komponente übergeben. Die Aussentemperatur ist von Polysun für jeden Zeitschritt gegeben. Als letzter Eingangsparameter wird die Vorlauftemperatur benötigt, auf der die Wärmepumpe aktuell arbeitet. Da diese ja aber erst berechnet wird, wird die Vorlauftemperatur aus den Angaben des letzten Zeitschritts hochgerechnet (analog zum nicht-modulierenden Luft/Wasser-Wärmepumpen-Modell).
Mit den bekannten Eingabegrössen und den definierten Stützstellen wird mittels einer Scattered Data Interpolation in einem ersten Schritt die Leistungsstufe berechnet. Ist diese kleiner als die kleinste in den Stützpunkten angegebene Leistungsstufe, wird auf die kleinste Leistungsstufe aufgerundet. Für die berechnete Leistungsstufe werden dann im zweiten Schritt die aktuell abgegebene thermische Leistung und aufgenommene elektrische Leistung interpoliert und an die Gesamt-Simulation des Systems weitergegeben.
Der stromgeführte Betrieb arbeitet weitestgehend analog zum wärmegeführten Betrieb. Für die Bestimmung der Leistungsstufe wird statt der benötigten thermischen Leistung die elektrische Leistungsaufnahme als Interpolations-Punkt zusammen mit der Aussen- und Vorlauftemperatur verwendet.
Wird vom Regler direkt eine gewünschte Leistungsstufe übergeben, so fällt der Interpolations-Schritt für die Bestimmung der Leistungsstufe weg.
Als Beispiele sind Schemen mit und ohne Warmwasseraufbereitung jeweils für einen Neubau und einen sanierten Altbau im Schemen-Katalog unter „Schweizer Systeme“ vorbereitet. Wie erwähnt müssen die Parameter der Funktion HEATINGCURVE in der Programmierbaren Steuerung angepasst werden. Ausgelegt ist diese in der Vorlage auf das konfigurierte Gebäude und den Standort Rapperswil SG.
Zweistufige Luft/Wasser-Wärmepumpe
Das zweistufige Wärmepumpenmodell ist als Erweiterung des Standard-Luft/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpenmodells implementiert. In diesem Modell entspricht eine zweistufige Wärmepumpe einem Gerät, das intern zwei parallel geschaltete Einheiten beinhaltet. Für die volle Leistung sind beide Einheiten eingeschaltet. Bei Reduktion der Leistung auf 50 % ist dann nur eine dieser Einheiten in Betrieb.
Die Heizleistung am aktuellen Arbeitspunkt wird mit dem bestehenden Modell berechnet. Eine Reduktion auf 50 % Leistung wird anschliessend durchgeführt, indem die Heizleistung und elektrische Leistung um 50 % reduziert werden.
Bei wärmegeführtem Betrieb wird überprüft, ob 50 % der Leistung den gewünschten Leistungsbedarf decken kann. Ist dies der Fall, wird mit 50 % Leistung gefahren.
Bei stromgeführtem Betrieb wird auf 50 % Leistung reduziert, sobald die verfügbare elektrische Leistung kleiner als 90 % der von der Wärmepumpe bei 100 % Leistung aufgenommenen elektrischen Leistung ist.
Bei Betriebsmodus „Fixe Leistungsstufe“ wird auf 50 % Leistung reduziert, wenn die geforderte Leistungsstufe kleiner oder gleich 50 % ist.
In der Datenbank bzw. Profildatei werden die Leistungspunkte der vollen Leistung eingetragen, das Format ist wie bei der Standard Luft/Wasser-Wärmepumpe.
Video: Luftwärmepumpe
Abluftwärmepumpen
Um die Effizienz einer Abluftwärmepumpe zu erhöhen, kann die Zulufteinheit der Wärmepumpe in einem unbeheizten Teil des Gebäudes platziert werden, in dem die Temperatur höher als die Aussentemperatur ist (Keller, Abstellraum, Garage etc.). Öffnen Sie für diesen Fall das Wärmepumpen-Dialogfenster, wählen Sie das entsprechende Gebäude, als Standort „innen“ und „unbeheizte Räume“ als Wärmequelle.
Im Gebäude-Dialogfenster können Sie auch die Mitteltemperatur der unbeheizten Räume festlegen.
