Systemoptimierung mit ­dynamischen Simulationen

Bild 1: Vergleich eines Solarsystems mit fossiler Zusatz­heizung mit einem System mit Luft-Wärmepumpe.

Mit der Integration der Wärmepumpen-Komponente in der Simulationssoftware "Polysun" wird die vergleichende Jahressimulation für die Kombination Solar und Wärmepumpen einem großen Anwenderkreis zugänglich gemacht.

Das modulare Hydraulikkonzept sowie die Ausrichtung auf real erhältliche Komponenten (umfangreiche Katalogdatenbanken) erlauben den Einsatz von "Polysun" in der frühen Planungsphase, als Planungswerkzeug für die Auslegung von Heizsystemen sowie für die Optimierung von Systemkomponenten und Regelstrategien. Die Resultate in Form eines Reports unterstützen im Außendienst und überzeugen den Kunden. Die Wärmepumpen werden dabei mit Einbezug von Erdsonden detailgetreu abgebildet und stehen dem Benutzer in Komponentenkatalogen zur Verfügung.

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Simulations-Setup ­verschiedener Systemkonzepte
In der Praxis geschieht die Wahl des Energieträgers für Neu- und Umbauten in einer frühen Planungsphase. Die Auslegung der möglichen Heizsysteme sowie der Vergleich der verschiedenen Alternativen sind dabei von großer Wichtigkeit.

Man erkennt dabei verschiedene Einflussfaktoren, wie

• Standort: Wetterdaten für Außentemperatur, Feuchtigkeit, Solare Einstrahlung, Wind,
• Verbrauchsmenge und -profil des Warmwassers,
• Gebäudehülle, interne Wärmequellen, Solare Einstrahlung durch Fenster.

Die detaillierte Jahressimulation von "Polysun" weist Jahresertrag, CO2-Einsparung, die Arbeitszahl der Wärmepumpe und Systemnutzungsgrad zweifelsfrei nach. Das Zeitschrittverfahren erlaubt mit seiner feinen Auflösung aber auch den Blick aufs Detail, wie z. B. die Temperaturverhältnisse im Schichtenspeicher (siehe Bild 1).

Insbesondere werden auch Steuerungskonzepte in ihrer vollen Zeitabhängigkeit realistisch abgebildet, was gerade in der Kombination von Solarkollektor und Wärmepumpe sehr wichtig ist (Betrieb der Wärmepumpe in der Niedertarif Zeitspanne). Somit erlaubt "Polysun" die Optimierung von Reglerkonzepten in Bezug auf die ökonomische Wirtschaftlichkeit, Systemeffizienz und Hygiene (Legionellenproblematik).

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Vergleich von Solar- und ­Wärmepumpen-Heizsystemen
Mit dem erweiterten "Polysun" können Solarsysteme direkt mit Wärmepumpen-Heizsystemen verglichen werden. Für einen Vergleich der CO2-Bilanzen müssen dabei der lokale Strommix und die daraus abgeleiteten Emissionsfaktoren berücksichtigt werden. Für den Vergleich der Kos­ten besteht zudem eine Unsicherheit bezüglich des zukünftigen Strompreises.

Kombination von Solar und ­Wärmepumpen
Für die Kombination von Solarkollektoren und Wärmepumpen sind kürzlich mehrere neue Systemkombinationen auf den Markt gekommen.

Ersatz der fossilen Zusatzheizung durch eine Luftwärmepumpe
Die einfachste Kombination besteht darin, dass als Zusatzheizung eine Luftwärmepumpe anstelle einer Öl- oder Gasheizung eingesetzt wird (siehe Bild 2).

Bild 2: Einsatz einer Luftwärmepumpe als Ersatz für die fossile Zusatzheizung, Sonnenkollektoren ­direkt an Wärmepumpe angeschlossen.

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Sonnenkollektoren direkt an Wärmepumpe angeschlossen
Die Solarenergie kann jedoch noch effizienter genutzt werden, wenn die Sonnenkollektoren direkt mit einer Wärmepumpe kombiniert werden, um damit das Temperaturniveau der Wärmequellenseite (Verdampfer) einer Wärmepumpe anzuheben und somit die Leistungszahl zu verbessern (mögliche Anordnung in Bild 3).

Bild 3: Betrieb der Solarkollektoren bei niedrigen Temperaturen.

Die Solarenergie wird in diesen Systemen gerade bei geringer Einstrahlung als Wärmequelle für die Wärmepumpe genutzt und kann auch dann verwertet werden, wenn die Vorlauftemperaturen aus dem Kollektor unter der Speichertemperatur liegen. Oft kann damit dann auf eine Erdsonde verzichtet oder mit einem Luft/Wasser Wärmetauscher ersetzt werden und bei gleichbleibender Effizienz der Sys­temaufwand reduziert werden [4].

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Solare Vorwärmung für Erdwärmesondenfelder
Ein weiteres mögliches ­Systemkonzept besteht darin, dass die Solarenergie aus den Kollektoren in die Erdwärmesondenfelder geführt und so gespeichert wird ­(siehe Bild 4) [6].

Bild 4: Aufladen von Erdsondenfeldern durch Solar­energie.

Die Komponentenauswahl (z. B. nicht abgedeckte Kollektoren) sowie die Steuerungskonzepte (z. B. Vorrang der Speicherbeladung) bieten eine große Vielfalt an Systemen, unter welchen je nach Standort und Gegebenheiten wie Verbraucheranforderungen eine optimale Lösung gefunden werden muss.

Weitere Systemkonfigurationen, wie z. B. der Einsatz von Erdwärmesonden als Wärmequelle und Rückkühlung, sind, gerade im gewerblichen Bereich, denkbar und mit dem erweiterten "Polysun" abbildbar. Dabei kann auf ein detailliertes Sondenmodell zurückgegriffen werden (bis zu zwölf Erdschichten, Grundwasser-/Erdsonde, Sondenfelder).

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Verschiedene Lösungskonzepte
Die Freiheit im Anlagedesign erlaubt die Gegenüberstellung der verschiedenen Lösungskonzepte, was vor allem bei der Kombination von verschiedenen Energielieferanten wie im Beispiel Wärmepumpen und Solar eine wichtige Rolle spielt.

Bild 5: Resultate - ­grafische Ansicht der ­Stundenwerte.

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Weitere wichtige Voraussetzungen, die in "Polysun" bereits realisiert sind:

• Im Programm bereits eingebundene Wetterdaten, die für die Berechnung der Heizlast sowie für die Auslegung z. B. von Luft-Wasser-Wärmepumpen wichtig sind (Außentemperatur, ­Luftfeuchtigkeit). Falls ein Standort noch nicht hinterlegt ist, interpoliert "Polysun" aus Koordina­ten der Höhenangabe eines neuen Stand­orts die Wetterdaten (Software "Mete­onorm" der Firma Meteotest ist in "Polysun" integriert und liefert Wetterdaten wie auch Interpolationsalgorithmus ohne zusätzliche Lizenz).
• Variabler Zeitschritt: Eine Jahressimulation kann mit 20 bis 60 Sekunden Rechenzeit mit hoher Genauigkeit realisiert werden.
• Reglerverhalten: Eine wichtige Komponente in der Systemoptimierung sind Steuerungen und Regelungen. Diese werden in "Polysun" ebenfalls realitätsnah abgebildet.
• Gebäudesimulation: "Polysun" beinhaltet eine integrierte Gebäudesimulation zur Bestimmung der dynamischen Gebäudelast.
• Breite bestehende Komponentenauswahl: Der heutige Funktionsumfang in "Polysun" umfasst bereits alle wichtigen Komponenten einer Heizungsanlage (Speicher, Kessel, Pumpen, Wärmetauscher, Mischventile, Regelungen, Gebäude).
• Resultatauswahl und Visualisierung: In einer ansprechenden grafischen Be­nutzeroberfläche wird bereits heute eine vielfältige Palette von Resultaten zur ­Visualisierung angeboten.
• "Polysun 4.4" bietet ein modulares Konzept zum Aufbau von Heizungsanlagen, das die computergestützte Untersuchung verschiedener Anlagetypen erlaubt.

Literatur:
[1] S. A. Klein, B. Beckmann, J. Duffie: ­TRNSYS, A Transient System Simulation Program, ­Program Manual. Solar ­Laboratory, Madison, Wisconsin.
[2] M. Vuolle, P. Sahlin: IDA Indoor Climate and Energy Application. EQUA Simulation ­Technology, www.equa.se.
[3] S. A. Mathez. Polysun 4: ­Simulation von ­Systemen mit komplexer Hydraulik. ­Proceedings der Otti-Konferenz, Mai 2007.
[4] Integrierte Kopplung von Solarthermie und Wärmepumpe zur Wärmeerzeugung: Neues Konzept zur Wärmeerzeugung für Niedrigenergiehäuser, Henning Schmidt, HLH Bd. 57, Heft 2, Februar 2006, S. 22-29.
[5] Berechnungsmodul für Erdwärmesonden. Arthur Huber und Othmar Schuler.
Forschungsprojekt des Schweizerischen Bundesamtes für Energiewirtschaft (Schlussbericht). September 1997. Siehe auch www.hetag.ch → Referenzen → Forschungsprojekte: ­Erdwärmesonden

[6] Erweiterung des Programms EWS für Erdwärmesondenfelder. Arthur Huber und ­Daniel Pahud. Forschungsprojekt des Schweizerischen Bundesamtes für Energiewirtschaft (Schlussbericht). Dezember 1999.

Autoren
Jörg Marti, Timon Brüllmann und Andreas Witzig sind bei der ­Firma Vela Solaris AG, CH-8400 ­Winterthur, www.velasolaris.com, beschäftigt. Arthur Huber ist von der Firma Huber Energietechnik AG, CH-8032 Zürich.