Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0074;F-Wärmepumpen und Kälte
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Entwicklung einer anwenderfreundlichen und transparenten handrechenmethode zur Bestimmung des Jahresnutzungsgrades von kombinierten Heizungs-/Warmwasser-Wärmepumpen
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Das Wärmepumpentestzentrum Winterthur-Töss (WPZ) wurde mit der Durchführung von Messungen an WP's mit kombinierter Raumheizung und Warmwasseraufbereitung beauftragt. Die Systemgrenzen für die Messungen sind so definiert, dass damit verschiedenste WW-Systeme erfasst werden können. Konkret sollten 2 verschiedene Systeme ausgemessen werden.Es zeigte sich, dass die WP-Norm EN255 sehr gute Grundlagen für Prüfung von WW-Systemen liefert. Einzig bei wirklich gleichzeitigem Betrieb von Heizung und Warmwasser kann die Norm nicht mehr direkt angewendet werden. Dieses Problem ist aber primär durch die Wahl der Systemgrenzen und nicht durch die Art der Norm bedingt.Bis Heute wurde im WPZ der Typ "Alternativ" komplett nach EN255-2 und EN255-3 ausgemessen. Die Auswertung nach EN255-3 konnte bis zur Berichterstattung noch nicht ganz abgeschlossen werden.Die am WPZ-Prüfstand vorgenommenen temporären Anpassungen und Ergänzungen für die EN255-3 Messungen haben sich bestens bewährt. Mit diesen Einrichtungen können die Regelungstoleranzen nach EN255-3 weitgehend eingehalten werden!
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Wärmepumpen-Testzentrum Winterthur-Töss WPZ
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Montani,André
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Based on a literature survey to characterise the state of the art in international standardisation, a calculation method for the seasonal performance factor of heat pump systems has been developed. The method can deal with only heating or domestic hot water heat pumps as well as heat pumps yielding an alternative or combined production of space heating and domestic hot water production. For the combined production, however, results from component testing have to be available. As a first step, the method is restricted to hydronic distribution and monoenergetic operation (heat pump + electrical back-up heating). Special attention has been paid to atransparent procedure.The method evaluates the annual cumulative frequency of the dry bulb ambient temperature to weighten the energy amount to be produced at certain meteorological and system dependent boundary conditions that have an impact on heat pump performance. Heat pump performance is given by standard testing, which is correctedfor the operation conditions. Further correction is applied for part-load effects, auxiliary electrical energy input and storage losses.For both heating and domestic hot water production, single Seasonal Performance Factors (SPF) are calculated, which are combined by weighting with the energy amounts supplied to heating and domestic hot water production respectively. SPF heating for the monoenergetic mode is derived by the energy amounts deliveredby the heat pump and back-up system respectively.After presentation of the method in standardisation committees, an intense testing and thereby further development is planned for 2003. Combined systems and a reduction of input data are in focus for 2003, too.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Fachhochschule beider Basel
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Afjei,Thomas
Wemhöner,Carsten
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Warmwasseraufbereitung nimmt in modernen Gebäuden einen immer grösseren Anteil am Gesamtwärmebedarf ein und hat damit natürlich auch einen immer grösseren Einfluss auf die Jahresarbeitszahl. Die heute vorhandenen Unterlagen für die theoretische Berechnung von Jahresarbeitszahlen sind diesbezüglich ungenügend und lückenhaft. Das Bundesamt für Energie (BFE) initialisierte deshalb bei der internationalen Energie-Agentur (IEA) einen Annex, der sich diesem Problemkreis widmen soll. Als Schweizer Beitrag zu diesem Annex wurden vom BFE gleichzeitig 2 Projekte lanciert:- ?Wärmepumpentest für die kombinierte Raumheizung und Warmwasseraufbereitung?- ?Berechnungsmethode für den Jahresnutzungsgrad von Wärmepumpenanlagen zur kombinierten Raumheizung und Warmwasseraufbereitung?Im ersten Projekt sollten an 2 verschiedenen Wärmepumpensystemen Labormessungen vorgenommen werden. Dabei ist ein Prüfprozedere zu entwickeln, dass auch auf einen echten Kombibetrieb angewendet werden kann. Im zweiten Projekt soll auf der Basis von vorhandenen Grunddaten und den Resultaten des ersten Projektes ein Rechenverfahren für die Bestimmung der Jahresarbeitszahl ausgearbeitet werden. Im folgenden sind die Resultate des ersten Projektes zusammengefasst. Für die Prüfung von kombinierten Wärmepumpensystemen gibt es keine Norm. Mit der Wärmepumpennorm EN255-2 und EN255-3 können jedoch die Betriebszustände ?Nur Heizen? und ?Nur Warmwasser? abgedeckt werden. Diese beiden Normen wurden nun soweit ergänzt, dass sie auch auf den Kombibetrieb angewendet werden können. Damit liegen nach einer kompletten Prüfung die Kennwerte nach EN255-2 und -3 doppelt vor: Einmal für den ?Single-Betrieb? und einmal für den ?Kombi-Betrieb?. Dies ist eine gute Grundlage für eine Jahresarbeitszahlberechnung.Im Gegensatz zur EN255-2 (Heizen) ist das Testverfahren nach EN255-3 (Warmwasseraufbereitung) dynamisch: Nach dem erstmaligen Aufladen des Warmwasserspeichers erfolgt ein genau definierter Fahrplan bezüglich der Entnahme von Warmwasser. Im wesentlichen wird der COP für die Aufbereitung des Warmwassers durch zyklisches Entnehmen von Brauchwarmwasser und anschliessendes Nachladen bestimmt. Der Bereitschaftsaufwand, der die thermischen Verluste kompensiert, wird durch eine energetische Bilanz über eine längere Zeit (>48 Stunden) ohne Warmwasserentnahme ermittelt.Im Kombibetrieb wird nun der EN255-3?Fahrplan einfach während des Heizbetriebes angewendet. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass die Heizwärme auf dem gleichen exergetischen Niveau abgegeben wird. D.h., die Mitteltemperatur zwischen Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf muss dabei konstant bleiben. Damit nach dem Testlauf überhaupt eine Auswertung möglich ist, muss die gesamte Stromaufnahme auf die Teile Heizung und Warmwasser aufgeteilt werden. Als Verteilschlüssel dient hier die Annahme der ?Unbeeinflusstheit des Heizbetriebes?. Mit dem Heiz-COP aus dem ?Single-Betrieb? wird der Stromanteil entsprechend der gemessenen thermischen Leistung ermittelt. Die Differenz zur Gesamtaufnahme geht zu Lasten der Warmwasseraufbereitung. Eine graphische Darstellung des Prüfprozederes befindet sich auf Seite 15.In der EN255-3 ist die Höhe der Warmwassertemperatur frei. Deshalb ist ein Vergleich des COP?s von verschiedenen Systemen etwas problematisch, da die Wassertemperaturen unterschiedlich sein können. Im Bericht wird deshalb zusätzlich ein Gütegrad vorgeschlagen, welcher die Warmwassertemperatur berücksichtigt und damit einen Vergleich erlaubt. Bei den zwei getesteten Systemen wurde das Wasser jeweils immer bis 55_C aufgeheizt, so dass die COP-Werte direkt verglichen werden können.Die an den 2 verschiedenen Systemen gemachten Erfahrungen in der Anwendung der angepassten Normen sind durchwegs positiv. Die Basis EN255-3 zeigt aber doch ein paar Nachteile: Die Zeitdauer für das Durchfahren eines einzigen EN255-3-Zykluses beträgt typischerweise rund 4 Tage. Unter gewissen Randbedingungen könnte dieser Zeitaufwand aber etwas reduziert werden. Weiter hat sich gezeigt, dass die COP-Kennwerte durch die Menge der Warmwasserentnahme im EN255-3-Zyklus merklich beeinflusst werden. Es wäre deshalb sinnvoll, die entsprechende Phase zweimal mit verschiedenen Entnahmemengen zu fahren. Der zeitliche Mehraufwand ist dafür vergleichsweise gering.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
WPZ Wärmepumpen-Test- und Zentrum
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Montani,André
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The domestic hot water production in modern buildings is a growing part of the total heat energy demand. Thus the combined hot water production is gaining interest. For the assessment of the efficiency of the combined hot water production, the overall seasonal performance (SPF) is important. A hand calculation method, which can calculate the seasonal performance factor with adequate exactness is thereby an important tool for the estimation of the capability of the system configuration. Therefore two research projects in charge of the Swiss Federal Office of Energy were started, which are a national contribution to the Annex 28 of the Heat Pump Programme of the International Energy Agency IEA.In the present European and national standardisation different calculation methods to evaluate the seasonal performance of heating and domestic hot water systems including heat pumps exist, that provide calculation methods of heating heat pumps, heat pump water heaters and partly the alternate operation of heat pumps for heating and domestic hot water production. However, the existing calculation methods are limited with respect to system configuration and boundary conditions. Methods for the simultaneous operation do not exist. Only in American standardisation ASHRAE standard 137 deals with the simultaneous hot water production with desuperheater in the application field of air-to-air heat pumps.However the existing methods are a good basis for the extension of the methodology to simultaneous operation. All detailed hand calculation methods use the so called "bin approach", which is based on the annual frequency of the ambient dry bulb air temperature, which is distributed into fixed classes of the ambient temperature. Different operation modes (e.g. for heating and domestic hot water operation) are combined to an overall seasonal performance factor by an energetic weighting with the respective energetic fractions of the used energy. As simultaneous operation implies a significant change in the heat pump characteristic, an adequate test procedure had to be developed first in the parallel project "Test procedure for heat pump with combined space heating and domestic hot water production" at the Swiss national test centre WPZ Töss. The resulting heat pump characteristics were used in the presented calculation method of this project.In this project two systems for simultaneous operation were in focus: one system with alternate domestic hot water production by switching from the heating to the domestic hot water operation in the case of hot water demand. The other system works with a cascade ("Swiss Retrofit Heat Pump"), where the lower stage is used for the heating operation and the upper stage for the domestic hot water. In simultaneous operation, the upper stage uses the condensate subcooling of the lower stage for the hot water production. The calculation method covers monovalent and monoenergetic heat pump heating systems for the combined space heating and domestic hot water production. A comparison of the calculation method with simulations showed a deviation to about 6% lower SPF values. However results have to be validated in detail. Difficult is still the prediction, which part of the energy demand is produced in combined operation. This part depends on the one hand on the output capacity characteristic of the heat pump, but is influenced on the other hand by the used control system and the tapping profile. Thus a factor for simultaneous operation is defined. Preliminary simulations based on the measured heat pump characteristic had the result, that depending on the boundary conditions, the maximum simultaneous operation is in the range of 60%.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Fachhochschule beider Basel
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Afjei,Thomas
Wemhöner,Carsten
Zugehörige Dokumente
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