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Optimale Auslegung von Wärmepumpensystemen für Bestandsgebäude = Optimal design of heat pump systems for existing buildings
2023
Dissertation, RWTH Aachen University, 2023
Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-04-06
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-04070
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/956305/files/956305.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Betriebscharakteristik (frei) ; Prozesssystemtechnik (frei) ; brennbare Kältemittel (frei) ; flammable refrigerants (frei) ; operational characteristic (frei) ; process systems engineering (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Im 21. Jahrhundert ist zum Schutz des Klimas die nachhaltige Nutzung von Energie in allen Sektoren erforderlich, sodass der Austausch konventioneller Energiesysteme vorangetrieben werden muss. Insbesondere die optimale Auslegung von Energiesystemen unter Berücksichtigung von ökonomischen, ökologischen und sozialen Faktoren wird zunehmend wichtiger. Die Auslegung von Energiesystemen erfordert jedoch viele Entscheidungen, die direkt von der eingesetzten Anlagentechnik, ihrer Betriebscharakteristik und ihrer Entsorgung abhängen. Eine nachhaltige Nutzung kann daher nur sichergestellt werden, wenn die zugrundeliegenden Abhängigkeiten im gesamten Lebenszyklus bereits in der Auslegung berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wird eine computergestützte Methode zur optimalen Auslegung von Energiesystemen vorgestellt, die die Betriebscharakteristik (Entscheidungen auf der Kontroll-Domäne) in die Auslegung (Entscheidungen auf der Design-Domäne) integriert. Durch die Integration der domänenübergreifenden Entscheidungsvariablen in eine Methode können Energiesysteme optimal entworfen werden. Auslegung und Betriebscharakteristik (Betriebsführung und betriebsbedingte Effekte) werden schrittweise in einem dynamischen Simulationsmodell mittels systematischer Prozessintensivierung verknüpft. Als Fallbeispiel der Methode dienen Luft-Wasser-Wärmepumpensysteme, die einen wesentlichen Baustein zur Elektrifizierung der Wärmeversorgung von Bestandsgebäuden darstellen. Luft-Wasser-Wärmepumpensysteme unterliegen im Betrieb dynamischen Randbedingungen und weisen betriebsbedingte Effekte (Teillastverhalten, Betriebsgrenzen, thermische Desinfektion und Bereifung des Verdampfers) auf, die in die Auslegung integriert werden. Zur Optimierung werden Zielgrößen für die Wirtschaftlichkeit (annualisierte Kosten) und die Umweltwirkungen (äquivalente CO2-Emissionen) gewählt. In multiplen Szenarien legt die Methode robust optimale Wärmepumpensysteme für Bestandsgebäude aus. Die optimal ausgelegten Wärmepumpensysteme halten den geforderten thermischen Komfort ein. Zur Verifizierung der Auslegungsergebnisse wird ein Kältemittellabor entwickelt, in dem Kältemittel, Kältemittelkreisläufe, Wärmepumpensysteme, Kältekreisregler und Systemregler untersucht werden können. Es wird eine Hardware-in-the-Loop-Umgebung für brennbare Kältemittel zum Betrieb einer Propan-Wärmepumpe entwickelt. Zugehörige Experimente zeigen die Wechselwirkungen zwischen Auslegung und Betrieb und verdeutlichen den Bedarf an integrierten Auslegungsmethoden. Zusammenfassend ermöglicht die entwickelte Methode eine domänenübergreifende, optimale Auslegung, die durch Abstraktion von Empfehlungen eine nachhaltige Nutzung von Energie im Gebäudesektor zum Schutz des Klimas forciert.To protect the climate, the 21st century urgently requires sustainable energy use in all sectors, pushing the replacement of conventional energy systems. In particular, the optimal design of energy systems gains importance, considering economic, environmental, and social factors. However, the design of energy systems requires many decisions that directly depend on system technology, its operating characteristics, and its disposal. Therefore, the sustainable use can only be ensured if the underlying dependencies throughout the entire life cycle are already considered in the design step. This work presents a computer-aided method for optimal energy system design that integrates operating characteristics (decisions on the control domain) into the design (decisions on the design domain). By integrating the cross-domain decision variables into one method, energy systems can be optimally designed. Design and operating characteristics (operational management and effects) are linked step by step in a dynamic simulation model using systematic process intensification. Air-to-water heat pump systems serve as a case study of themethod and represent an essential element for the electrification of the heat supply of existing buildings. Air-to-water heat pump systems are subject to dynamic boundary conditions during operation and exhibit operational effects (partial load behavior, operating envelope, thermal disinfection, and frosting of the evaporator), which are integrated into the design process. For design optimization, objective functions for economic efficiency (annualized cost) and environmental impacts (equivalent CO2-emissions) are chosen. For single-family houses in multiple scenarios, the method robustly designs optimal heat pump systems. The optimally designed heat pumpsystems maintain the required thermal comfort. To verify the design results, a refrigerant laboratory is being developed to study refrigerants, refrigeration cycles, heat pump systems, refrigeration cycle controllers, and system controllers. A hardware-in-the-loop flammable refrigerant environment is being developed to operate a propane heat pump. Corresponding experiments demonstrate interactions between design and operation and highlight the need for integrated design procedures. In summary, the developed method enables a cross-domain, optimal design, which, through abstraction ofrecommendations, pushes long-term sustainable use of energy in the building sector to protect the climate.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT030002290
Interne Identnummern
RWTH-2023-04070
Datensatz-ID: 956305
Beteiligte Länder
Germany
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