Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0074;F-Wärmepumpen und Kälte
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Dynamischer Wärmepumpen-Test, Phase 3
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Das zyklische Ein- und Ausschalten von Wärmepumpen zur Anpassung der Heizleistung an den Wärmebedarf führt zu einer jährlichen Minderleistung von 5-30%. Um die Effizienz von Wärmepumpen zu optimieren ist es wichtig, die Einflussfaktoren zu erkennen und deren Auswirkungen zu verstehen. Aus diesem Grund wird ein physikalisches, dynamisches Wärmepumpenmodell erstellt und mit entsprechenden Messungen validiert.
Im Projektjahr 2009 wurde ein neues physikalisches Modell erstellt, das aus vier Teilmodellen besteht und auf leicht messbaren physikalischen Eingabeparametern aufbaut. Diese Parameter für Verdichter, Verdampfer, Kondensator und Expansionsventil sind meist sogar in Produktdatenblättern zu finden. In einem ersten Schritt wurde eine “Forward-timestep” Methode zur Lösung versucht. Diese führte jedoch zu sehr kurzen Zeitschritten und dadurch langen Berechnungszeiten. Aus diesem Grund wurde der Lösungsalgorythmus für eine “central time step” Methode eingesetzt, die stabile Resultate liefert und schneller als Echtzeit abläuft. Verdampfer und Kondensator wurden als Zwei-Zonen Modelle und der Verdichter als Objekt mit zwei Massen für Saugseite und Hochdruckseite implementiert.
Labormessungen an zwei verschiedenen Luft/Wasser Wärmepumpen wurden zusätzlich zu den extensiven Messungen während der zweiten Projektphase durchgeführt. Auch im Feld wurde eine Sole/Wasser Wärmepumpe mit Sensoren ausgestattet, um in der Wintersaison 2009/2010 Messungen durchzuführen. Obwohl die Messeinrichtung problemlos funktioniert, konnten bisher nur wenige Daten gesammelt werden, da die Heizung auf Grund der hohen Umgebungstemperaturen nur kurzfristig im Betrieb war. Mit dem validierten Modell soll eine parametrische Studie durchgeführt werden, um Optimierungsvorschläge für die Reduktion dynamischer Verluste bei Wärmepumpen zu erstellen. In einem zweiten Effort soll die Regelungsstrategie von Wärmepumpen untersucht und optimiert werden.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Uhlmann,Michael
Bertsch,Stefan
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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The reduction in heating capacity due to on/off cycling of a heat pump can lead to a performance reduction of 5-30%. It is important to understand the amount of influence of the most important parameters in order to improve the performance of heat pumps with respect to on/off cycling so that appropriate measures can be taken. Therefore a physics based model was developed in the first two phases of this project and validated with according measurements. While this models covers the fundamentals of the process, it was found, that not parameters were difficult to extract and in addition numerical problems were encountered when calculating the results.
During the year 2009 a physics based model was developed. The four part models for compressor, evaporator, condenser and expansion device use first parameters, which can be easily measured or extracted from datasheets. As a first try a forward time step method was used but found to be very sensitive to the time step length. Therefore it was substituted by a central time step method that is leading to very stable solutions and calculation times shorter than the real time process. Evaporator and condenser were described as two zone models and the compressor consists of two mass fractions for suction and discharge side.
Laboratory measurements on two different air-source heat pumps were carried in addition to the extensive testing conducted in the second phase of the project. Test equipment was installed in the field in order to measure a geothermal heat pump during winter 2009/2010. The measurement is working well, but so far only few data could be collected due to the very high ambient temperatures in fall.
With the validated model parametric studies should be carried out to make suggestions of how to improve the construction of heat pumps with respect to cycling losses. A second effort is to improve the control strategy by suggesting an optimized timing interval for on/off cycling and finally there have been several requests for a simple loss-model that can used in annual simulation programs.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Uhlmann,Michael
Bertsch,Stefan
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Ziel dieser Arbeit ist es die Auswirkungen des Taktens (Leistungsregelung durch Ein- und Ausschalten) von Wärmepumpen auf die Leistungszahl zu untersuchen. Luft/Wasser- und Sole/Wasser-Wärmepumpen werden aus diesem Grund mit einem physikalischen Modell nachgebildet. Dieses dynamische Modell wird mit Daten aus Feld- und Labormessungen messtechnisch validiert. Anschliessend wird in mehreren parametrischen Studien der Einfluss von Zyklusdauer und Laufzeitverhältnis auf die Leistungszahl und die Wärmeleistung untersucht.
Es zeigt sich, dass das Takten zu einer Reduktion der Leistungszahl von Luft/Wasser-Wärmepumpen führt. Diese Einbussen sind im Bereich von 2-5%, sofern die Laufdauer der Wärmepumpe nur wenige Minuten beträgt. Durch ein Nachlaufen der Senkenpumpe kann dieser Wärmeverlust jedoch weitestgehend reduziert werden. Ab einer Mindest-Laufzeit von 15 Minuten sind die Einbussen auch im schlimmsten Fall gering. Sole/Wasser-Wärmepumpen hingegen profitieren von kurzen Taktzeiten, da sich Erdsonden in der Stillstandzeit regenerieren können. Steigerungen der Leistungszahl im Bereich von 5% durch eine geschickte Regelung der Taktzeiten sind möglich.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs NTB
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Uhlmann,Michael
Bertsch,Stefan
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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This study aims to investigate the effect of on/off cycling on the Coefficient of Performance of heat pumps. On/off cycling is the most commonly used mode of capacity control in heat pumps. Air to water and brine to water (geothermal) heat pumps were simulated using a physics based model. The dynamic model then has been validated using data from field and laboratory measurements. Subsequently several parametric studies were carried out in order to evaluate the effects of cycle time and the ratio of on-time on the performance of the system.
It can be shown, that on/off cycling leads to a reduction of the performance of air-source heat pumps. The performance penalty is in the area of 2-5% for very short cycle times of the heat pump system. Running the water pump of the heat sink for a couple of minutes can reduce these losses. Furthermore, the performance losses are insignificant if the heat pump is run for 15 minutes or longer at a time. Geothermal heat pumps on the other hand profit from short cycle times, since the borehole can regenerate during the off-time of the heat pump. Performance improvements in the area of 5% are possible in case of an intelligent control of the cycle time.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs NTB
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Uhlmann,Michael
Bertsch,Stefan
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