title: Simulationsstudie einer Seewasserwärmepumpe hinsichtlich Effizienz und Bedarfsdeckung
title: Simulation study of a sea water heat pump for efficiency and demand coverage
Creators: name: Gaiser, Max
Publisher: name: FH Vorarlberg (Fachhochschule Vorarlberg)
Year: 2023
Subjects: subject: 600 Technik

description: Das Wärmequartier wird als entscheidende räumliche Einheit betrachtet, um Effizienzsteigerungen zu ermöglichen. Dabei spielt die Nutzung regionaler Wärmequellen eine wichtige Rolle, um den steigenden Energiebedarf der Menschheit zu decken. Neben der vielversprechenden Nutzung der Erdwärme durch eine Erdwärmepumpe werden in Uferregionen zunehmend Seewasserwärmepumpen eingesetzt, denn diese nutzen die thermische Energie aus dem See, um den Heiz- und Kühlbedarf zu decken. Dabei ist der geschlossene Kreislauf im Vergleich zu dem offenen Kreislauf weniger effizient, aber dafür stabiler und zuverlässiger, da der Wärmeübertrager im See Vereisungs- und Korrosionsprobleme abmildern kann. Aus diesem Grund werden zunehmend Überlegungen an einem in den See eingetauchten Wärmeübertrager angesetzt. Allerdings wird dieses Potential im deutschsprachigen Raum kaum ausgeschöpft. In dieser Studie erfolgt anhand eines Referenzgebäudes eines Wärmequartiers ein simulativer Vergleich eines Erdwärmepumpensystems mit Erdsonden und eines Seewasserwärmepumpensystems mit einem in den See eingetauchten Rohrbündelwärmeübertrager. Für den Rohrbündelwärmeübertrager wurde die Auswirkungen von einer sich veränderten Übertragungsfläche auf die Effizienz analysiert und optimale Eigenschaften definiert. Der Effekt von einem veränderten Nennvolumen der Pufferspeicher auf die Effizienz, die Heizzyklen und die Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung und Brauchwarmwassers wurde untersucht. Die Folgen von Temperaturänderungen des Erdreichs und des Seewassers auf die Effizienz des Gesamtsystems wurde zudem betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Systemeffizienz durch die Übertragungsfläche und das Verhältnis zwischen Rohrbündelanzahl und -länge verbessert werden kann. Weitere Ergebnisse zeigen, dass die Seewasserwärmepumpe empfindlicher auf Temperaturänderungen der Wärmequelle reagiert als die Erdwärmepumpe. Es wurde ein abschließender jährlicher Vergleich basierend auf den Erkenntnissen aus den Analysen zu dem Rohrbündelwärmeübertrager und dem Nennvolumen der Pufferspeicher mit dem bestehenden geothermischen Referenzsystem durchgeführt. Die Untersuchung der Ergebnisse ergab, dass die Jahresarbeitszahl der Erdwärmepumpe für die Trinkwassererwärmung höher als die der Seewasserwärmepumpe ist. Für den Heizbetrieb wurde eine geringfügig höhere Jahresarbeitszahl bei der Erdwärmepumpe festgestellt. Dafür ist die Seewasserwärmepumpe robuster hinsichtlich der Effizienz und zuverlässiger bezüglich der Wärmebedarfsdeckung von Heizwärme- und Brauchwarmwasserbedarf.
description: The heating district is regarded as a decisive spatial unit to enable efficiency improvements. In this context, the use of regional heat sources has a major role to play in meeting mankind's growing energy needs. In addition to the promising use of geothermal energy by a geothermal heat pump, lake water heat pumps are increasingly being used in lakeside regions, as these use thermal energy from the lake to cover heating and cooling needs. Closed-loop is less efficient than open-loop, but more stable and reliable because the heat exchanger in the lake can mitigate icing and corrosion problems. For this reason, a heat exchanger immersed in the lake is increasingly being considered. However, this potential is hardly exploited in German-speaking countries. In this study, a simulative comparison of a geothermal heat pump system with ground heat exchangers and a lake water heat pump system with a shell and tube heat exchanger immersed in the lake is carried out based on a reference building of a heat quarter. For the shell and tube heat exchanger, the effect of a changing transfer area on efficiency was analyzed and optimal characteristics defined. The effect of changing the nominal volume of the storage tanks on the efficiency, the heating cycles and the flow temperature of the floor heating and domestic hot water was investigated. The consequences of ground and lake water temperature changes on the overall system efficiency were also considered. The results show that the system efficiency can be improved by the transmission area and the relationship between the number and length of pipe bundles. Other results show that the seawater heat pump is more sensitive to heat source temperature changes than the geothermal heat pump. A final annual comparison was made based on the results of the analyses on the shell-and-tube heat exchanger and the nominal volume of the buffer tanks with the existing geothermal reference system. Examination of the results showed that the annual performance factor of the geothermal heat pump for domestic hot water heating is higher than that of the seawater heat pump. For heating operation, a slightly higher annual performance factor was found for the geothermal heat pump. On the other hand, the seawater heat pump is more robust in terms of efficiency and more reliable in terms of covering the heat demand for heating and domestic hot water.