title: Methods and guidelines for preliminary design and feasibility assessment of solar thermal systems and heat pumps in industry
Creators: name: Jesper, Mateo
Publisher: name: Universität Kassel
Year: 2024
Subjects: classificationCode: 600
subject: 600
classificationCode: Energieversorgung
subject: Energieversorgung
classificationCode: Wärmeversorgung
subject: Wärmeversorgung
classificationCode: Wärmepumpe
subject: Wärmepumpe
classificationCode: Thermische Solaranlage
subject: Thermische Solaranlage
classificationCode: Industrie
subject: Industrie

description: <p>With the Paris Climate Agreement, the global community has set itself the goal of limiting global warming to 1.5 °C compared to the pre-industrial era. To achieve this goal, the energy supply of all sectors must be defossilized. For the defossilization of the heat supply of industry at temperatures of up to 150 °C, two technically mature technologies are available in the form of heat pumps and solar thermal systems, which have so far fallen far short of their potentials. One major reason for this is the complex, time-consuming, and cost-intensive planning pro-cess. This work presents methods and guidelines that simplify the preliminary planning and feasibility assessment of renewable heat supply systems with solar thermal systems and heat pumps, while at the same time increasing their accuracy.
Based on a database of 39 large-scale heat pumps from eleven manufacturers, regression functions were developed for the most common heat pump types, which allow the estimation of the coefficient of performance (COP) with a significantly higher accuracy than previous methods. On average, the coefficient of determination of the COP prediction is increased by 21 %-points. The systematic evaluation of the database also provides an overview of the de-sign and operating range of many large-scale heat pumps available on the market.
A database of 797 gas load profiles and 82 pairs of electricity and gas load profiles were ana-lyzed. The results show that only about two thirds of the industrial companies have a seasonal heat demand profile that is dependent on the ambient temperature, which does not correlate with the electricity consumption profile in most cases. In contrast, most consumers whose heating demand does not correlate with the ambient temperature show a clear correlation between heat demand and electricity consumption. These findings were used in the further course to develop models for load profile prediction. With regression functions based on the correlation of heat demand and ambient temperature, a median of the coefficient of determi-nation of 72 % is achieved. AI-models that are individually adapted to each company and pre-dict the heating demand based on weekday, time, date, electricity consumption, and outdoor temperature reach a median of the coefficient of determination of 94 %.
A systematic technical and economic comparison of different hydraulic concepts, heat pump heating capacities, collector field sizes, applications, locations and economic framework con-ditions was used to derive design guidelines for heat supply systems with heat pumps and solar thermal plants in industry. The previously developed models for predicting industrial load profiles and the COP of heat pumps are an essential component of the simulation model de-veloped for this technical and economic comparison. The results show that choosing a heat pump capacity that corresponds to half of the maximum hourly heat demand in the year is sufficient to achieve a heat pump fraction of at least 90 % in every investigated scenario. The examined hydraulic concepts only show significant efficiency differences if the heat pump is designed to be very small, as the heat pump in the serial concepts is then mainly used to only preheat the return flow. Overall, the results reveal that many of the investigated industrial ap-plications allow an economically competitive, fully regenerative heat supply with heat pumps and solar thermal plants for the present economic frame conditions.</p>
description: <p>Mit dem Pariser Klimaabkommen hat sich die Weltgemeinschaft das Ziel gesetzt, die Klimaerwärmung im Vergleich zu der Zeit vor der Industrialisierung auf 1,5 °C zu beschränken. Um dies zu erreichen, muss die Energieversorgung aller Sektoren defossilisiert werden. Für die Defossilisierung der Wärmeversorgung von Industrie und Gewerbe bei Temperaturen von bis zu 150 °C stehen mit Wärmepumpen und Solarthermie zwei technisch ausgereifte Technolo-gien zur Verfügung, die bisher weit hinter ihren Potenzialen zurückbleiben. Als ein wesentlcher Grund hierfür kann der komplexe, zeit- und kostenintensive Planungsprozess genannt werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden Methoden und Richtlinien entwickelt, die eine Vorplanung und Machbarkeitsabschätzung von regenerativen Wärmeversorgungssystemen mit Solarthermie und Wärmepumpe vereinfachen und die Genauigkeit erhöhen.
Auf Basis einer Datenbank, die 39 Großwärmepumpen von elf Herstellern umfasst, wurden Regressionsfunktionen entwickelt, die für die verbreitetsten Wärmepumpentypen eine deutlich genauere Prognose der Leistungszahl (COP) als vergleichbare bisherige Methoden er-möglichen. Im Mittel konnte so das Bestimmtheitsmaß der COP-Prognose um 21 %-Punkte gesteigert werden. Eine systematische Auswertung der Datenbank gibt zusätzlich einen Überblick über Design und Betriebsbereich eines Großteils der marktverfügbaren Großwärmepumpen.
Die Analyse von 797 Gaslastprofilen und 82 Strom- und Gaslastprofilpaaren hat gezeigt, dass nur rund zwei Drittel der Industrieunternehmen ein saisonales, von der außentemperaturab-hängiges Wärmebedarfsprofil aufweisen, welches in den meisten Fällen nicht mit dem Strom-verbrauchsprofil korreliert. Im Gegensatz dazu zeigt der Großteil der Unternehmen, deren Wärmebedarf nicht mit der Außentemperatur korreliert, eine deutliche Korrelation zwischen Wärmebedarf und Stromverbrauch. Diese Erkenntnisse wurden im weiteren Verlauf genutzt, um Modelle zur Lastprofilvorhersage zu entwickeln. Regressionsfunktionen auf Basis der Kor-relation von Wärmebedarf und Außentemperatur erreichen einen Median des Bestimmtheitsmaßes von 72 %. Individuell an ein bestimmtes Unternehmen angepasste KI-Modelle, die den Wärmebedarf auf Basis von Wochentag, Uhrzeit, Datum, Stromverbrauch und Außen-temperatur vorhersagen, erreichen einen Median des Bestimmtheitsmaßes von 94 %.
Ein systematischer technischer und wirtschaftlicher Vergleich verschiedener Hydraulikkon-zepte, Dimensionierungen, Anwendungen, Standorte und wirtschaftlicher Rahmenbedingun-gen wurde genutzt, um Auslegungsrichtlinien für Wärmeversorgungssysteme mit Wärmepumpen und Solarthermie in der Industrie abzuleiten. Wesentlicher Bestandteil des dazu ent-wickelten Simulationsmodells sind die Modelle zur Prognose industrieller Lastprofile und des COP. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Dimensionierung der Wärmepumpe, bei der die Heizleistung der Hälfte des maximalen stündlichen Wärmebedarfs entspricht, in jedem untersuchten Szenario ausreicht, um einen Deckungsgrad von mindestens 90 % zu erreichen. Nur im Fall einer sehr klein dimensionierten Wärmepumpe zeigen die untersuchen Hydraulikkon-zepte signifikante Effizienzunterschiede, da die Wärmepumpe dann in den seriellen Konzepten überwiegend nur zur Vorerwärmung des Rücklaufs eingesetzt wird. Unter den derzeitigen wirtschaftlichen Bedingungen sind vollständig regenerative Solar-Wärmepumpensysteme für viele der untersuchten industriellen Anwendungen wettbewerbsfähig gegenüber Gaskesseln.</p>