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Der transparente Speicher an der HSLU für die Untersuchung im Ladebetrieb.
Sandro Nagl und Dominik Senn* /FL
Effiziente Zirkulationserwärmungssysteme
Wassererwärmungsanlagen müssen die gestiegenen Komfort- und Hygieneforderungen erfüllen. Um die Ausstosszeiten einhalten zu können, werden Zirkulationssysteme verbaut. In ihrer konventionellen Ausführung können diese Systeme jedoch eine Durchmischung der Temperaturschichten innerhalb des Speichers verursachen, die unterschiedliche Probleme zur Folge haben. Neben möglichen Hygieneproblemen können diese Durchmischungen ein häufiges Nachladen durch den Wärmeerzeuger bewirken. Dabei muss der Wärmeerzeuger mit hohen Rücklauftemperaturen arbeiten, was zu einem ineffizienten Betrieb führt.
Das Ziel der Bachelorarbeit zu diesem Thema bestand darin, neue Konzepte zu erarbeiten, die eine energieeffiziente Warmwasserversorgung ermöglichen. Neben der Energieeffizienz wurden Kriterien wie Hygiene, Komfort, Fähigkeit zur Warmwasserbereitstellung, Kosten und Betriebssicherheit betrachtet. Die negativen Auswirkungen der konventionellen Zirkulation (ohne Nacherwärmung – Variante 0) auf die Temperaturschichtung innerhalb des Warmwasserspeichers ist im Vergleich zur reinen Speicherauskühlung (graue Kurven) in Grafik 1 dargestellt.
Grafik 1: Temperaturverlauf - Speicherauskühlung (graue Kurven) und konventionelle Zirkulation (farbige Kurven; Variante 0).
Grafik 2: Schematische Darstellung des Plexiglasspeichers inklusive aller Speicherfühler.
Grafik 3 - Variante 1: Modulierende Zirkulationswärmepumpe.
Grafik 4 - Variante 2: Zirkulationswärmepumpe mit Puffer.
Grafik 5 - Variante 3: Nicht-modulierende Zirkulationswärmepumpe mit hydraulischer Entkoppelung.
Grafik 6 - Variante 4: Warmwasserwärmepumpe.
Grafik 7 (3): Temperaturverlauf – Variante 0 «konventionelle Zirkulation» (graue Kurven) und Variante 2 «Zirkulationswärmepumpe mit Puffer» (farbige Kurven).
Grafik 8(4): Temperaturverlauf – Variante 0 «konventionelle Zirkulation» (graue Kurven) und Variante 3 «nicht-modulierende Zirkulationswärmepumpe mit hydraulischer Entkoppelung» (farbige Kurven).
Methodik
Aus einer Literaturrecherche und eigenen Überlegungen ergab sich nach einer detaillierten Analyse der Herausforderungen bei Zirkulationsrückführung in den Speicher eine Ideensammlung an Lösungsvarianten. Dabei erwies sich das Konzept der speicherexternen Nacherwärmung der Zirkulation mit Hilfe einer Zirkulationswärmepumpe als die vielversprechendste Variante. Daher wurde dieses Konzept im Labor des IGE der Hochschule Luzern aufgebaut und untersucht. Die Speicherschichtung wurde durch acht Temperaturfühler im Speicher erfasst (vgl. Grafik2). Das Spitzendeckungsvolumen wird durch die Fühler (T10 und T11) dargestellt.
Lösungsvarianten
Untersucht wurde die Deckung der Zirkulationswärmeverluste mit vier unterschiedlichen Varianten. Bei der Rückführung der Zirkulation in den Warmwasserspeicher wurde darauf geachtet, dass eine Eintrittsgeschwindigkeit von 0,1 m/s nicht überschritten wird. Die Varianten sind (vgl. Varianten 1-4 in Grafiken 3-6):
- Variante 1: Modulierende Zirkulationswärmepumpe
- Variante 2: Zirkulationswärmepumpe mit Puffer
- Variante 3: Nicht-modulierende Zirkulationswärmepumpe mit hydraulischer Entkoppelung
- Variante 4: Warmwasserwärmepumpe.
Messresultate
Zur Gewinnung von Erkenntnissen wurden diverse Messungen durchgeführt. Dargestellt in Grafik 7 ist die Messung der Variante 2 «Zirkulationswärmepumpe mit Puffer» (farbige Kurven). Der Temperaturverlauf dieses Szenarios ist dem Verlauf des Szenarios der Variante 1 «modulierenden Zirkulationswärmepumpe» sehr ähnlich. Es ergeben sich konstante und störungsarme Verläufe auf hohem Temperaturniveau.
Die Variante 3 «nicht-modulierende Zirkulationswärmepumpe mit hydraulischer Entkoppelung» hingegen zeigt einen anderen Temperaturverlauf. Die Zirkulationswärmepumpe wird erst aktiviert, sobald die Temperatur bei dem EIN-Fühler (T9) unter 58 °C fällt. In dieser Phase von etwa drei Stunden wird konventionell zirkuliert, sodass in dieser Phase die Temperaturen abfallen.
Schlussfolgerungen
Der Vergleich von Grafik 7 und 8 zeigt, dass zwar alle untersuchten Varianten eine wesentliche Verbesserung der unterschiedlichen Kriterien ermöglichen. Dennoch sind die Variante 2 «Zirkulationswärmepumpe mit Puffer» und die Variante 1 «modulierende Zirkulationswärmepumpe» auf Grund ihrer kontinuierlichen Temperaturverläufe mit geringerer Beeinflussung der Temperaturschichtung innerhalb des Speichers zu bevorzugen. Ihre Temperaturschichtungen wirken sich positiv auf folgende Kriterien aus:
- Energieeffizienz: Durch Gewährleisten einer guten Temperaturschichtung im Speicher kann ein häufiges Nachladen mit hohen Rücklauftemperaturen durch die BWW-Wärmeerzeugung verhindert werden. Dadurch verbessert sich die Energieeffizienz der Warmwasserversorgung.
- Warmwasserbereitstellung: Exergetische Betrachtungen zeigen, dass im Messintervall hohe Warmwassertemperaturen im Spitzendeckungsvolumen und im ganzen Speicher gewährleistet werden können.
- Hygiene: Das konstant hohe Temperaturniveau bietet ebenfalls gute hygienische Bedingungen.
- Komfort: Es konnten keine schwankenden Warmwassertemperaturen beobachtet werden. Die Rückführung der Zirkulation in den Warmwasserspeicher ist der Rückführung der Zirkulation in die Warmwasserleitung vorzuziehen.
- Kosten: Auf Grund einer verbesserten Effizienz können die höheren Investitionskosten durch niedrigere Betriebskosten ausgeglichen werden.
- Betriebssicherheit: Bei Umsetzung des Konzeptes müssen die ermittelten Anforderungskriterien mit den Herstellern der Zirkulationswärmepumpe abgesprochen werden.
Die Dimensionierung der Zirkulationswärmepumpe …
… ist abhängig von den Zirkulationswärmeverlusten. Eine Marktanalyse zeigte, dass in kleinen Leistungsbereichen von unter 1,8 kW kaum modulierende Wärmepumpen, jedoch Wärmepumpen mit Puffer (Warmwasser-Wärmepumpen) verfügbar sind.
Um eine individuelle und angemessene Empfehlung basierend auf der Komplexität, die sich aus der Vielzahl der Variablen in Realobjekten ergibt, abgeben zu können, wurde ein Entscheidungsframework entwickelt.
Je nach Konfiguration wird nach Abschluss des Frameworks ein passendes Konzept mit entsprechenden Infos und Planungshinweisen vorgeschlagen (Konzepthilfe unter QR-Code verfügbar).
* Studenten am Institut für Gebäudetechnik und Energie IGE der Hochschule Luzern–Technik+Architektur (HSLU)