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Supply temperature control concepts in heat pump heating systems = Konzepte für die Regelung der Vorlauftemperatur in Wärmepumpen-Heizsystemen



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kristian Huchtemann

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center 2015

UmfangXXVIII, 169 S. : graph. Darst.

ISBN978-3-942789-30-1

ReiheE.On Energy Research Center : EBC, Energy efficient buildings and indoor climate ; 31


Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University


Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-05-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-049873
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/484064/files/484064.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/484064/files/484064.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

  1. E.ON Energy Research Center (616400)
  2. Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik (419510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; heat pump (frei) ; building energy system (frei) ; control (frei) ; simulation (frei) ; hydronic heating system (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpen haben sich in den letzten Jahren als Wärmeerzeuger etabliert. Ihre Effizienz hängt stark vom Temperaturhub ab. Dieser wird auf der Nutzungsseite durch die Vorlauftemperatur des Heizsystems beeinflusst. Der effiziente Betrieb von Wärmepumpen mit Heizkörper-Heizungen ist aufgrund hoher erforderlicher Vorlauftemperaturen schwer zu erreichen. Deshalb werden in dieser Arbeit fortschrittliche Regelungskonzepte für Wärmepumpen-Heizsysteme untersucht, die bedarfsabhängig die Vorlauftemperatur anpassen, um einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe zu erreichen. Die Leistungsabgabe von Heizkörpernlässt sich über den Massenstrom und die Vorlauftemperatur regeln. Eine Regelung der Vorlauftemperatur wird heutzutage üblicherweise nur anhand der Außentemperatur realisiert. Es gibt jedoch auch Heizungsregelungen, die weitere Störgrößen in die Regelung der Vorlauftemperatur einbeziehen. Es erfolgt eine Untersuchung bestehender Wärmepumpen im Gebäudebestand anhand der Dateneines Feldversuchs. Der Einfluss der Wärmequelle und -senke auf die Effizienz der Wärmepumpe wird aufgezeigt. Allerdings wird auch deutlich, dass zahlreiche weitere Einflüsse berücksichtigt werden müssen. Letztere wurden analysiert und dokumentiert. Ohne Daten über die Nutzung, Raumtemperaturen und Reglereinstellungen kann das Potential des Feldversuches nicht voll ausgeschöpft werden. Modelle für die Wärmepumpe und den zentralen Pufferspeicher des Wärmepumpen-Heizsystems werden mithilfe von Feldversuchsdaten überprüft. Die Wärmepumpe wird als tabellenbasiertes Modell umgesetzt, der Pufferspeicher wird durch ein geschichtetes Fluidvolumen abgebildet. Mit den validierten Modellen und bestehenden Modellkomponenten wird ein Gesamtsystem erstellt. Dieses beinhaltet ein Gebäudemodell eines Einfamilienhauses mit neun beheizten Zonen. Verschiedene Nutzungsprofile werden definiert. Einflüsse der Nutzung, der Gebäudephysik, der Auslegung der Komponenten und der Regelung auf die Effizienz des Heizsystems und auf den thermischen Komfort werden untersucht. Insbesondere die Gebäudenutzung und der Dämmstandard haben einen starken Einfluss sowohl auf den Energiebedarf als auch auf den thermischen Komfort. Das Systemmodell wird außerdem genutzt um verschiedene Vorlauftemperatur-Regelstrategien zu untersuchen. Drei Regelkonzepte werden untersucht: Ein regelbasiertes, welches schrittweise die Solltemperatur adaptiert, ein modellprädiktives, welches für jede beheizte Zone die optimale Vorlauftemperatur errechnet und ein kontinuierliches Konzept, welches die Vorlauftemperatur über ein integrierendes Glied in Abhängigkeit der Raumtemperaturen regelt. Die Vor- und Nachteile der Regelkonzepte können durch die Simulation über die Dauer einer Heizperiode dargestellt werden. Über eine Absenkung der mittleren Vorlauftemperatur lassen sich deutliche Energieeinsparungen realisieren. Diese sind aber immer mit Einbußen im errechneten thermischen Komfort verbunden. Die mögliche Energieeinsparung hängt stark von der Gebäudehülle und Nutzereinflüssen ab. In realen Gebäuden sind zusätzliche Einsparungen möglich, die über die mit optimal parametrierten Systemen simulierten Einsparungen hinausgehen.

In recent years, electrically driven compression heat pumps have come to be widely used for the heating of buildings. Their efficiency strongly depends on the temperature lift which is influenced by the supply temperature of the heat sink. When used with radiator heating systems it is challenging to operate heat pumps efficiently because high supply temperatures are required. Therefore, in order to efficiently operate heat pumps, this work analyses advanced control concepts for heatpump heating systems that adapt the supply temperature according to the demand. The heat output of radiators is influenced by the mass flow rate and the supply temperature. Today, usually only the outdoor air temperature is used for controlling the supply temperature. However, control strategies exist that consider additional disturbances. In this work, heat pumps in existing buildings are analyzed on the basis of field test data. The temperature of heat source and heat sink influence the efficiency of the heat pump. But additional influences such as the usage of additional appliances can be found which were studied and documented comprehensively. However, without data on user influences, room temperature and control settings, the potential of the field test cannot be fully realized. Field test data are used to evaluate models of the heat pump and the buffer storage of the heating system. The heat pump is implemented as a table-based model, the buffer storage is modeled as a stratified fluid volume. The validated models and existing model components make up a model of the overall system. It includes a model of a one-family home with nine heated zones. User influences implemented as different user schedules, the building physics, dimensioning of components and control are analyzed in simulations of heating periods. The usage and insulation standard of the building have a strong influence on the energy demand and thermal comfort. The system model is also used to analyze different supply temperature control strategies. Three control concepts are modeled: A rule-based one which adapts the set temperature step-wise, a model predictive one which calculates the optimal supply temperature for each heated zone, and a continuously operating controller which uses an integral element controlling the supply temperature according to the room air temperature. The advantages and disadvantages of each strategy are evaluated on the basis of the simulation results. A decrease of the mean supply temperature leads to considerable savings in energy demand. However, an increased thermal discomfort cannot be fully avoided. Attained energy savings crucially depend on the type of building physics and the user influences. Energy savings in real buildings can exceed the ones simulated using ideally parametrized systems.

OpenAccess:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book

Format
online, print

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT018755577

Interne Identnummern
RWTH-2015-04987
Datensatz-ID: 484064

Beteiligte Länder
Germany

 GO


OpenAccess

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Document types > Theses > Ph.D. Theses
Document types > Books > Books
Faculty of Electrical Engineering and Information Technology (Fac.6)
Faculty of Mechanical Engineering (Fac.4)
Publication server / Open Access
616400_20140620
Public records
Publications database
419510

 Record created 2015-09-16, last modified 2024-07-15