Einfluss einer nächtlichen Beladungssperre des Heizpufferspeichers auf die Effizienz von verschiedenen Heizsystemen
Creators: name: Funk, Sebastian
Publisher: name: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Year: 2020
Subjects: 333.79: Energie
620: Ingenieurwesen

description: Mit der Energiestrategie 2050 der Schweiz wird unter anderem der Ausbau von erneuerbaren Energien forciert. Dies soll im Sektor Haushalt zu grossen Teilen durch Heizsysteme gelingen, die ihre Energie aus erneuerbaren Quellen beziehen. Vor diesem Hintergrund lässt sich beobachten, dass die Absatzzahlen von Heizsystemen mit Wärmepumpen steigen.
Mit dieser Arbeit wurde das Ziel verfolgt, durch die Einführung einer nächtlichen Beladungssperre des Heizpufferspeichers eine einfach umsetzbare Regelstrategie zu untersuchen, mit welcher die Effizienz bei eben diesen Heizsystemen mit Wärmepumpen gesteigert werden soll. Durch die Einführung der Beladungssperre wird beabsichtigt, ein Teil der Last der Wärmepumpen in den Tag zu verschieben. Dadurch soll erreicht werden, dass die Wärmepumpen vermehrt dann betrieben werden, wenn die Wärmequellen eine durchschnittlich höhere Temperatur aufweisen. 
Hierfür wurden Heizsysteme betrachtet mit Luft/Wasser-Wärmepumpe, Luft/Wasser-Wärmepumpe und solarthermischer Heizungsunterstützung sowie einem System mit Sole/Wasser- Wärmepumpe, welches einen von PVT-Modulen gespeisten Kaltspeicher als alleinige Wärmequelle nutzt. In der ersten von zwei Simulationsreihen wurde die Beladungssperre des Heizpufferspeichers bei den Heizsystemen für ein neugebautes Einfamilienhaus implementiert und optimiert. Anschliessend wurden in einer zweiten Simulationsreihe die Heizsysteme mit Beladungssperre für die Anwendungen saniertes Einfamilienhaus, neugebautes Mehrfamilienhaus und saniertes Mehrfamilienhaus getestet. 
Durch die gezielte Lastverschiebung gelang es, die Wärmepumpen nachweislich bei einer höheren durchschnittlichen Quelltemperatur zu betreiben. Ein fail-safe-mechanismus verhinderte dabei das ungewollte Absinken der Gebäudetemperatur. Bei einem fixen Endzeitpunkt der Sperre um 09:00 Uhr morgens konnten die höchsten Effizienzsteigerungen beobachtet werden. Ein fester Startzeitpunkt konnte nicht ausgemacht werden, da je nach Anwendungsfall und Heizsystem eine unterschiedlich lange Beladungssperre zu den besten Ergebnissen führte. 
Mit einer jährlichen Stromersparnis von über 7 % konnte bei allen drei Heizsystemen die höchste Effizienzsteigerung für die Anwendung saniertes Einfamilienhaus erreicht werden. Die jährliche Stromersparnis fiel hingegen bei den Neubau-Anwendungen mit rund 1.5 % bis 4.5 % niedriger aus. Es zeigte sich, dass der Effekt der Beladungssperre des Heizpufferspeichers bei einer Erhöhung der Heizungsvorlauftemperatur deutlicher ausfiel. Eine Kombination der Beladungssperre mit einer Nachtabsenkung oder einer Überhitzung des Heizpufferspeichers wiesen dagegen keine oder keine zusätzliche Effizienzsteigerung auf.

With Switzerland's Energy Strategy 2050 and the associated aim of promoting the expansion of renewable energies, which in the household sector should be largely achieved by heating systems that obtain their energy from renewable sources, sales of heating systems with heat pumps are increasing. 
The aim of this thesis was to investigate the possibility of increasing the efficiency of these heating systems with heat pumps by introducing a nocturnal load barrier on the heating buffer tank. The introduction of the load barrier is intended to shift part of electrical load of the heat pump into daytime. This is intended to ensure that the heat pumps are increasingly operated when the heat sources have a higher average temperature. 
For this purpose, heating systems with an air/water heat pump, an air/water heat pump supported by solar thermal heating as well as a system with a brine/water heat pump, which uses a buffer tank loaded by PVT-modules as sole heat source, were considered. In the first of two simulations series, the load barrier of the heater buffer storage could be implemented and optimized in the heating system for a newly built single-family house. 
Tested were subsequently, in a second series of simulations, heating systems with load barriers for the installation situations of refurbished single-family houses, newly built multi-family houses and refurbished multi-family houses. By shifting the electrical load, the heat pumps could be operated at a higher average source temperature. A fail-safe mechanism prevented the unwanted drop in building temperature. With a fixed end time of the lock at 09:00 o'clock, the highest increases in efficiency were observed. A fixed start time could not be determined because a load barrier of varying length, depending on the application and heating system, led to the best results. 
With an annual power saving of more than 7 %, all three heating systems achieved the highest increase in efficiency for the application of a refurbished multi-family house. In contrast, the annual power savings for new-build applications were lower at around 1.5 % to 4.5 %. It was shown that the effect of the load barrier of the heating buffer storage tank was more pronounced when the heating flow temperature was increased. In contrast, a combination of the load barrier with a night setback or overheating of the heating buffer storage tank showed no or no additional increase in efficiency.