Mots-clé
(Allemand)
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TP0074;F-Wärmepumpen und Kälte
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Description succincte
(Allemand)
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Effiziente Luft/Wasser-Wärmepumpen durch kontinuierliche Leistungsregelung
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Publications / Résultats
(Allemand)
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In den BFE-Forschungsprojekten LOREF und WEXA wurden wertvolle Erkenntnisse zur Effizienzsteigerung von Luft/Wasser-Wärmepumpen (L/W-WP) gewonnen, welche in diesem Projekt praxisgerecht umgesetzt werden sollen. Das Hauptziel ist, allgemeingültige Auslegungs- und Planungsgrundlagen für die Realisierung effizienter, betriebssicherer und wirtschaftlicher L/W-WP mit kontinuierlicher Leistungsregelung zu erarbeiten. Mittels Simulationen und Experimenten soll eine Regelung konzipiert und entwickelt werden, welche in Abhängigkeit des Umgebungszustandes und des Heizbedarfs des Gebäudes den Kältemitteldurchsatz und die Ventilatordrehzahl regelt, das jeweils optimale Abtauverfahren auswählt und die Abtauung zum optimalen Zeitpunkt einleitet bzw. abbricht. Zur Untersuchung der entwickelten Regelstrategien wird ein Prototyp einer leistungsgeregelten L/W-WP realisiert. Mit dem Projekt sollen Komponenten- und Anlagenherstellern, Installateuren und Planern neue Impulse für die Weiterentwicklung und Effizienzsteigerung von L/W-WP gegeben werden.
Das im Rahmen von LOREF erstellte Simulationsprogramm wurde durch die Abtauung mit Ventilatornachlauf und Prozessumkehr sowie durch die Regelung der Ventilatordrehzahl und des Kältemitteldurchsatzes erweitert. Mit Hilfe des modifizierten Simulationsprogramms wurden die Anforderungen an die Komponenten des Wärmepumpen-Prototyps spezifiziert und diese ausgelegt. Der Wärmepumpen-Prototyp wurde im Labor der HSLU – T&A aufgebaut, mit der erforderlichen Mess- und Regeltechnik ausgestattet und erfolgreich in Betrieb genommen. Parallel zum Aufbau des Prototypen wurde der Prüfstand zur Konditionierung verschiedener Luftzustände modifiziert und das im Vorjahr erstellte Wärmemodul in den Prüfstand eingebunden. Geeignete Ansätze für die Entwicklung einer praxisreifen Abtauregelung konnten gefunden werden, welche in einem nächsten Schritt umgesetzt und in die Regelung des Wärmepumpen-Prototypen implementiert werden sollen. Im kommenden Jahr werden geeignete Regelalgorithmen entwickelt und diese in umfangreichen Messreihen getestet. Mit dem Aufzeigen des wirtschaftlichen Potentials und dem Erstellen des Schlussberichtes sowie einer Veröffentlichung für ein breites Publikum wird das Forschungsprojekt abgeschlossen.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gasser,Lukas
Albert,Mike
Wyssen,I.
Häusermann,M.
Wellig,Beat
Wellig,Beat
Documents annexés
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Publications / Résultats
(Anglais)
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During preceding Swiss Federal Office of Energy research projects “optimisation of fin tube evaporators by reduction of ice and frost formation” and “exergy analysis for increasing the efficiency of air/water heat pumps” valuable findings concerning the increase in efficiency of air/water heat pumps were gained. These findings are now to be implemented in a practical and realistic manner. The aim is to develop universally valid design and planning criteria (“guidance”) for the realisation of efficient, reliable and economic air/water heat pumps with continuous capacity control. The main measure to improve the efficiency of air/water heat pumps is to continuously adapt the generated heating capacity to the heat demand of the building. This study shall provide an incentive for the further development as well as the increase of efficiency of air/water heat pumps, both by heat pump and component manufacturers as well as by designers of building services engineering.
An optimised process control strategy depending on the applied control principle of the heat pump has been developed using simulations as well as experiments. To verify the theoretical findings as well as to investigate different control strategies three different heat pump prototypes with capacity control and a test facility for air/water heat pumps have been realised. The investigations show that the optimal control strategy and the efficiency of the capacity controlled heat pump strongly depend upon the partial load efficiencies of the compressor and the fan. The experimental investigations approve the great potential of the capacity control. As a result of the capacity control the seasonal performance factor can be increased by approximately 20–50% compared to air/water heat pumps with on/off control. Therefore, the seasonal performance factors can be even as high as the values of brine/water heat pumps with on/off control.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gasser,Lukas
Wyssen,I.
Wellig,Beat
Wellig,Beat
Documents annexés
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Rapport final
(Allemand)
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Luft/Wasser-Wärmepumpen (L/W-WP) sind heute ein weit verbreitetes System zur Bereitstellung von Heizenergie, mithin weil sie einfach zu installieren und betreiben sind. Im Hinblick auf die nachhaltige Entwicklung ist ihre Effizienzsteigerung von grossem Interesse. Verschiedene sich ergänzende Forschungsprojekte des Bundesamtes für Energie (BFE) belegen die Tatsache, dass L/W-WP ein noch grosses Potenzial zur Einsparung von Primärenergie haben. Die Fortschritte in der Kompressorund Ventilatortechnik eröffnen neue Möglichkeiten für die Prozessführung. Es bieten sich grundsätzlich zwei Massnahmen an, mit welchen die Effizienz erheblich verbessert werden kann: einerseits die kontinuierliche Leistungsregelung von Kompressor und Ventilator und andererseits die konsequente Verwendung der Abtauung mit Ventilatornachlauf. Dieses Projekt befasst sich mit der Erarbeitung allgemeingültiger Auslegungs- und Planungsgrundlagen für die Realisierung effizienter, betriebssicherer und wirtschaftlicher L/W-WP mit kontinuierlicher Leistungsregelung. Mittels Simulationen und Experimenten wurde eine Regelung konzipiert und entwickelt, welche in Abhängigkeit des Umgebungszustandes und des Heizbedarfs den Kältemitteldurchsatz und den Luftvolumenstrom optimal regelt. Die Untersuchungen zeigen, dass bei L/W-WP mit kontinuierlicher Leistungsregelung die Teillast-Wirkungsgrade des Kompressors und des Ventilators einen grossen Einfluss auf die Effizienz haben. Insbesondere der Teillast-Wirkungsgrad des Kompressors hat neben dem Einfluss auf die Leistungszahl einen erheblichen Einfluss auf die optimale Regelung der Wärmepumpe (WP). Die maximale Reduktion des Teillastverhältnisses des Kompressors bzw. der Kompressordrehzahl wird durch zwei Faktoren limitiert. Einerseits handelt es dabei um die vom Gebäude erforderliche Heizleistung, welche stets gedeckt werden muss, und andererseits um die maximal erreichbare Effizienz. Jeder Kompressor weist ein optimales Teillastverhältnis auf, welches zur Erzielung maximaler Leistungszahlen im Teillastbetrieb nicht unterschritten werden darf. Dieses optimale Teillastverhältnis ist massgeblich abhängig vom Teillastverhalten des Kompressors. Analog verhält es sich mit dem Ventilator. Die optimalen Teillastverhältnisse von Kompressor und Ventilator können relativ einfach experimentell ermittelt werden. Die Regelung passt die erzeugte Heizleistung durch gleichmässige Reduktion der Teillastverhältnisse von Kompressor und Ventilator kontinuierlich der erforderlichen Heizleistung an, sofern dazu die optimalen Teillastverhältnisse nicht unterschritten werden müssen. Müssten diese unterschritten werden, wird die L/W-WP bei reduzierter Leistung mit den optimalen Teillastverhältnissen von Kompressor und Ventilator Ein/Aus-geregelt.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gasser,Lukas
Wyssen,I.
Albert,Mike
Häusermann,M.
Kleingries,Mirko
Documents annexés
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Rapport final
(Anglais)
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The use of air/water heat pumps as heating systems for residential buildings has rapidly grown over the last decades. Air/water heat pumps require only low investments, are easy to install and reliable in their operation. However, one of the most important prerequisite for the increased proliferation of air/water heat pumps lies in the substantial increase of their efficiency. Theoretical and experimental analysis indicate that the exergetic efficiency of common air/water heat pumps become smaller when the ambient temperature increases. The reason for this is the heat pump characteristic: the less heat is required by the building the more it delivers. In common heat pumps this is compensated by on/off operation. As a consequence, a substantial increase in efficiency requests continuous operation with capacity control of the compressor and the fan in order to adjust the generated to the required heating capacity. The aim of this project was to develop universally valid design and planning criteria for the realisation of efficient, reliable and economic air/water heat pumps with continuous capacity control. An optimised process control depending on the applied control strategy of the heat pump has been developed using simulations as well as experiments. To verify the theoretical findings as well as to investigate different control strategies a heat pump prototype with capacity control and test facility for air/water heat pumps have been realized. The investigations show that the optimal control strategy and the efficiency of the capacity controlled heat pump strongly depend upon the partial load efficiencies of the compressor and the fan. The experimental investigations approve the great potential of the capacity control. As a result of the capacity control the seasonal performance factor can be increased by approximately 10 to 70% compared to air/water heat pumps with on/off control.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gasser,Lukas
Wyssen,I.
Albert,Mike
Häusermann,M.
Kleingries,Mirko
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