Optimierungsbasierte Extraktion und Bewertung von Planungsregeln für Wärmepumpensysteme in Einfamilienhäusern

Römer, Fabian; Felsmann, Clemens; Müller, Dirk

doi:10.18154/RWTH-2026-07778

Optimierungsbasierte Extraktion und Bewertung von Planungsregeln für Wärmepumpensysteme in Einfamilienhäusern = Optimization-based extraction and evaluation of design rules for heat pump systems in single-family houses

Römer, Fabian^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Fabian Römer, geb. Wüllhorst

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Müller, Dirk (Thesis advisor)^RWTH* ; Felsmann, Clemens (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-05-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-07778
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1040254/files/1040254.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Modelica (frei) ; Regelextraktion (frei) ; dynamic simulation (frei) ; dynamische Simulation (frei) ; model predictive control (frei) ; modellprädiktive Regelung (frei) ; optimal experimental design (frei) ; optimale Versuchsplanung (frei) ; regelbasierte Regelung (frei) ; rule extraction (frei) ; rule-based control (frei) ; surrogat-based optimization (frei) ; surrogatbasierte Optimierung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Zur Dekarbonisierung des Gebäudesektors rücken elektrische Wärmepumpen in den Fokus. Wirtschaftliche, technische und gesellschaftliche Herausforderungen hemmen jedoch eine breite Marktdurchdringung. Um diese Herausforderungen zu adressieren, sollte die Planung von Wärmepumpensystemen sowohl optimiert werden als auch möglichst einfach sein. Daher untersucht diese Arbeit die Extraktion und Bewertung praxisnaher Planungsregeln aus Planungsoptimierungen für Luft-Wasser-Wärmepumpensysteme in Einfamilienhäusern. Hierzu werden detaillierte, experimentell validierte Simulationsmodelle für den gekoppelten Betrieb von Gebäude und Anlagentechnik entwickelt. Die Planungsentscheidungen werden mit den Simulationsmodellen surrogatbasiert optimiert. Relevante Szenarien werden mittels optimaler Versuchsplanung so gewählt, dass allgemeingültige Regeln auf Basis weniger praxisnaher Eingangsdaten als lineare Regression von Potenzgesetzen extrahiert werden können. Zur Bewertung der Regeln wird die Abweichung von dem optimalen Zielfunktionswert quantifiziert. Eine Analyse von der Planung in Praxis und Forschung offenbart Forschungslücken in den Planungsaspekten Technologieauswahl, Dimensionierung, hydraulische Verschaltung und Betriebsstrategie, welche in den Anwendungsfällen der Arbeit adressiert werden. Im Bereich der Technologieauswahl werden kritische Strom-zu-Gaspreisverhältnisse für monoenergetische und hybride Wärmepumpen ermittelt, ab denen diese gegenüber einer Gasbrennwerttherme vorteilhaft sind. Zudem wird gezeigt, dass die Vernachlässigung von Photovoltaikanlagen bei der Dimensionierung von Wärmepumpe und Pufferspeicher zulässig ist. Im Bereich der Dimensionierung werden praxisnahe Regeln für die Bivalenztemperatur mit geringen Optimalitätsgaps extrahiert. Dabei wird nachgewiesen, dass aktuelle Praxisregeln im Mittel zu 10 % Kostensteigerungen führen. Weiter wird gezeigt, dass begrenzte Datenblattangaben zu suboptimalen Dimensionierungen führen. Die Heizlastschätzung aus Verbrauchsdaten erweist sich nur bei mehreren Messungen oder einer präzisen Heizgrenztemperatur als zuverlässig. Darüber hinaus wird gezeigt, dass kleine Pufferspeichervolumen in der Regel optimal sind. Zusätzliche Effekte wie Abtauvorgänge und Flexibilitätsanforderungen betonen jedoch die generelle Notwendigkeit eines Pufferspeichers. Für die hydraulische Verschaltung wird nachgewiesen, dass die Verschaltung des Zusatzheizers nur bei gleichzeitigem Betrieb mit der Wärmepumpe relevant ist. Im Bereich der Betriebsstrategie werden regelbasierte Strategien für die Photovoltaik-Überschussnutzung und Nachtabsenkung entwickelt. Die Ergebnisse zeigen, dass Nachtabsenkungen ohne smarte Thermostatventile oder adaptive Regler nicht empfehlenswert sind, mit geeigneter Regelung jedoch Einsparungen in bestimmten Szenarien möglich sind.

The ongoing climate change necessitates the decarbonization of the building sector through electrically powered heat pumps. However, economic, technical, and societal challenges hinder the widespread market penetration of heat pump systems. To address these challenges, planning should be both integratively optimized and as straightforward as possible. This dissertation therefore investigates the extraction and evaluation of practical planning rules from integrated planning optimizations. For this purpose, detailed, experimentally validated simulation models for the coupled operation of buildings and technical systems are developed. Planning decisions are optimized using simulation-based surrogate optimizations. The simulation scenarios are designed through optimally planned experiments to enable the extraction of generalizable rules based on a few practical input parameters, expressed as linear regressions of power laws. The deviation from the optimal planning results is quantified to evaluate these rules. Air-to-water heat pump systems in single-family homes serve as the application case. Through an analysis of planning practices and research, gaps in the fields of technology choice, system sizing, hydraulic integration, and operational strategies are identified and addressed. For technology choice, critical electricity-to-gas price ratios are determined for monoenergetic and hybrid heat pump systems, beyond which heat pumps become advantageous compared to gas condensing boilers. Moreover, results show that neglecting photovoltaic systems during the sizing of heat pumps and buffer tanks is permissible. Regarding system sizing, practical rules for determining the bivalence point are derived, highlighting that limited manufacturer data can lead to suboptimal sizing outcomes. Moreover, existing rules lead to average total cost increases of 10 %. Heat load estimations are shown to be reliable only when multiple measurements or precise heating limit temperatures are available. Additionally, small buffer tank volumes are generally found to be optimal. However, factors such as defrosting cycles and flexibility requirements emphasize the overall necessity of buffer tanks. For hydraulic integration, it is demonstrated that the configuration of the auxiliary heater is only relevant when operated simultaneously with the heat pump. Regarding operational strategies, non-predictive and predictive rule-based approaches for photovoltaic surplus utilization and nighttime setback are developed. The results show that nighttime setback is not recommended without smart thermostats or adaptive controllers, however, suitable controls can achieve savings in specific scenarios.

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