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Alternative / Regenerative Energien Nutzung regenerativer Energiequellen

7.2

Das modulare Lehrsystem Wärmepumpe ermöglicht anhand praktischer Übungs- und Messmöglichkeiten eine optimale fachliche Qualifizierung im Bereich der Solarthermie und Wärmepumpentechnik. Die Simulation un-terschiedlicher Realsituationen erfolgt durch die wechselweise Kombination der Lehrsystemmodule. Temperaturen, Durchflusswerte, Spannungen, Ströme, Leistungsaufnahme und Schaltsignale werden über eine systemübergreifende Messwerte-Bus-Verbindung an das Systemmodul ‚Wärmepumpe‘ weitergeleitet und stehen von dort aus über eine W-LAN-Funkstrecke für die Auswertung mit dem Computer zur Verfü-gung. Durch den Einsatz einer reversierbaren Wärmepumpe (je nach Ausstattungsvariante) können der Quellkreis und der Heizkreis elektrisch mittels mehrerer Motorkugelhähne umgeschaltet (getauscht) werden. Dies kann ohne Umbauten am Versuchsaufbau erfolgen - einfach durch elektrisches Umschalten. Also, z.B. eine Was-ser/Luft- oder eine Luft/Wasser-Wärmepumpe auf ‚Tastendruck‘. Das modulare Lehrsystem Wärmepumpe besteht aus 6 mobilen Schulungsständen, die ergänzend auch ein-zeln bestellbar sind. Die Mindestausstattung beinhaltet die Wärmepumpe, den Gebläsekonvektor und den Fuß-bodenheizkreis. Die Wärmepumpe ist die zentrale Komponente innerhalb der verschiedenen Systemmodelle ‚Nutzung regene-rativer Energiequellen‘. Nur die Wärmepumpe verfügt über ein WLAN-Modul, über welches auf die Messwerte aller Systemmodelle zugegriffen werden kann. Alle Systemmodelle verfügen über eigene Sensoren und einen Messwerte-Bus, d.h. eine steckbare 37-polige Kabelverbindung. Jeweils rechts und links befindet sich auf der Rückseite der Systemmodelle eine 37-polige Steckbuchse. Mittels kurzer Verbindungskabel können die Sys-temmodelle messtechnisch gekoppelt und mit der Wärmepumpe verbunden werden. Das bedeutet, auch wenn die Wärmepumpe für einen aktuellen Versuch (z.B. Solarkollektor mit Speicher) nicht benötigt wird, müssen die dabei verwendeten Systemmodelle mit der Wärmepumpe gekoppelt werden.

Lernziele: Verständnis der physikalischen Grundlagen von Wärmepumpenheizungen und Solarthermieanlagen mit

den sich daraus ergebenden Betriebsvoraussetzungen für eine optimale Nutzung.

Erkennen der Betriebsgrenzen von Wärmepumpenanlagen und Einsatz sicherheitstechnischer Einrichtun-gen und deren korrekte Einstellung.

Planungskompetenz für den Aufbau und die Inbetriebnahme der verschiedenen Systeme. Systemoptimie-rung durch die Kombination unterschiedlicher Energiequellen.

Verständnis zur regelungstechnischen und energetischen Verbesserung des Wärmetransports in Heizsyste-men. Arten der hydraulischen Anbindung von Heizkreisen. Umgang mit Hocheffizienzpumpen.

Handlungskompetenz für den Umgang mit PC gestützter Mess- und Fernwirktechnik beim Erfassen und Bewerten von elektrischen, hydraulischen und physikalischen Abläufen am Beispiel von Wärmepumpen-, Solar- und Photo-Thermiesystemen.

Systemisches Denken für den Einsatz nachhaltiger Energiequellen in der Gebäudetechnik: Heizen, Kühlen, Stromversorgung. Details erkennen - im System denken!

Modulares Lehrsystem Wärmepumpe - mit systemübergreifender Messwerterfassung

Abbildung zeigt die Vorderansicht des kompletten Lehrsystems Wärmepumpe





7.2

Das modulare Lehrsystem Wärmepumpe erlaubt verschiedene Aufbauvarianten und Versuchsdurchführungen, die mit dem mitgelieferten PC-Programm angeleitet und ausgewertet werden. Hierzu gehören u.a.: Wärmepumpen Basisfunktion:

Luft-Wasser-Wärmepumpe

Wasser-Luft-Wärmepumpe

Wasser-Wasser-Wärmepumpe Solarkollektor Basisfunktion

Thermischer Solarkollektor

Hybrid Solarkollektor, Photothermie Hydraulische Entkopplung

Wärmepumpe Wasser-Luft Solare Heizkreisunterstützung

Solarkollektor Pufferspeicher

Luft-Wasser-Wärmepumpe Solarthermie und Kühlbetrieb (variantenabhängig)

Lieferumfang: Systemmodul ,Gebläsekonvektor‘ - Luft/Wasser - Wärmetauscher bzw. Wasser/Luft-Wärmetauscher

Systemmodul ,Rohrheizkreis‘ - Erdwärmekollektor bzw. Fußbodenheizkreis

Systemmodul ,Thermischer Solarkollektor‘ - mit Sonnensimulation

Systemmodul ,Hybridkollektor‘ - mit Sonnensimulation, Solarthermie und Photovoltaik innerhalb eines Kol-lektors vereint (,Photothermie‘)

Systemmodul ,Warmwasserspeicher‘ - hydraulische Entkopplung (Wärmetauscher / hydraulische Weiche)

Systemübergreifende ,PC-Datenerfassung‘ - übersichtlichen Darstellung der Messwerte und Energieströ-me von allen Systembaugruppen

Modulares Lehrsystem Wärmepumpe - mit systemübergreifender Messwerterfassung

Bestellnummer: 0098 1700





7.2

Abb. zeigt das Systemmodul ,Rohrheizkreis‘


Technische Daten: Maße: ca. 900 x 800 x 1980 mm Gewicht: ca. 70 kg

Gebläsekonvektor mit stufig schaltbarem Gebläse (5 Gebläsestufen).

Wasserzufluss zum Konvektor mittels Drosselventil einstellbar.

2 Temperaturfühler und 1 Durchflussmesser zur Erfassung der Vor- und Rücklauftemperatur und des Heizkreisvolumenstroms.

Messwerte-Busverbindung zur Datenübergabe an das Zentralmodul ,Wärmepumpe‘.

Systemmodul ,Gebläsekonvektor‘ - Luft/Wasser - Wärmetauscher bzw. Wasser/Luft-Wärmetauscher

Abb. zeigt das Systemmodul ,Gebläsekonvektor‘


Systemmodul ,Rohrheizkreis‘ - Erdwärmekollektor bzw. Fußbodenheizkreis


3 Rohrschlangen (10 m, 20 m, 30 m), eingebaut in einen Bottich mit einem Füllwasservolumen von ca. 200 l.

Fußboden-Heizkreisverteiler mit 3 Durchflussan-zeigen, 3 Drosselstellen und einem Bypassventil (hydraulischer Abgleich / Wärmelasteinstellung).

3 Temperaturfühler und 1 Durchflussmesser zur Erfassung der Füllwassertemperatur, der Vor- und Rücklauftemperatur und des Heizkreisvolumen-stroms.





Speichervolumen 160 l. Abgesichert durch MAG und Sicherheitsventil

3 Temperaturfühler (Speichertemperatur unten - mittig - oben) für die zentrale Messwerterfassung.

1 Temperaturfühler für den Solarregler am System-modell ,Solarkollektor'.

Die jeweilige Betriebsart des Warmwasserspei-chers (monovalenter Speicher, Plattenwärmetau-scher, hydraulische Weiche, Pufferspeicher) kann mittels der vorhandenen Kugelhähne und den zu-gehörigen Wechselplatten (Wärmetauscher/Hydraulische Weiche) eingestellt werden.


Systemmodul ,Warmwasserspeicher‘ - hydraulische Entkopplung (Wärmetauscher / hydraulische Weiche)




7.2

Abb. zeigt das Systemmodul ,Warmwasserspeicher‘



1 m² Solarkollektor mit hochselektiv beschichtetem Voll-flächenabsorber (Kupfer/Aluminium). Hoher Absorptions-grad der Absorberbeschichtung gewährleistet selbst bei teildiffuser Sonneneinstrahlung noch hohe Erträge. Kol-lektorgehäuse ist mit 'E S G'-Solarglas abgedeckt starker Bodendämmung für minimale Wärmeverluste.

Simulation der Sonneneinstrahlung durch 6 Halogen-strahler (Gesamtanschlussleistung ca. 2,4 kW) Die Strahler werden mittels PC über die Messwerte-Busverbindung geschaltet.

Solarregler zur differenztemperaturabhängigen Zirkulati-onspumpensteuerung und Warmwasser-Temperaturbegrenzung. Zugriff auf den Speicherfühler über die Messwerte-Busverbindung.

Solarkomplettstation (Zirkulationspumpe, Sicherheits-baugruppe, Durchflussanzeige und Einregulierung, usw.). Zirkulationspumpe alternativ auch durch software-mäßigen Solarregler im PC schaltbar.

3 Temperaturfühler und 1 Durchflussmesser zur Erfas-sung der Kollektortemperatur, der Vor- und Rücklauftem-peratur und des Solarkreis-Zirkulationsvolumenstroms.

Systemmodul ,Thermischer Solarkollektor‘ - mit Sonnensimulation

Abb. zeigt das Systemmodul ,Thermischer Solarkollektor‘





7.2

Hermetic-Scroll-Kompressor 230 Volt/1/50 Hz, An-schlussleistung ca. 1 kW.

Groß dimensionierte Plattenwärmetauscher für Verdampfer und Kondensator zur Wärmeentnah-me / Wärmeabgabe am Quell- und Heizzwischen-kreis.

Reversierbarer Wärmefluss (Quell- und Heizkreis elektrisch umschaltbar – variantenabhängige Zu-satzausstattung).

Umfangreiche Sicherheitsausstattung zur Vermei-dung von schädlichen Betriebszuständen des Käl-tekompressors / Wärmepumpe.

Visualisierung der Sicherheitsschalter-Verriegelungskette durch Leitungssteckfeld auf der Frontplatte der Wärmepumpe.

Geschaltete Unterverteilung der Spannungsversor-gung für jeweils ein Solarmodul und eine externe Zirkulationspumpe

Elektronische Messwerterfassung für den Ver-dampfer- und Kondensatordruck, die Vor- und Rücklauftemperaturen und Volumenströme im Quell- und Heizkreis, die Kältemittelein- und Aus-trittstemperaturen am Verdampfer und Kondensa-tor und die Wirkleistungsaufnahme des Kompres-sors.

Messwerte-Busverbindung zur Datenübernahme aus den angeschlossenen Systemmodulen.

Wlan-Access Point zur Datenabfrage aller System-module mit dem PC.

Umfangreiche PC-Software zur Messwertvisuali-sierung und geführten Versuchsdurchführung.

Systemmodul ,Wärmepumpe‘

Abb. zeigt das Systemmodul ,Wärmepumpe‘






PV-Modul mit einer Nennleistung von ca. 200 Watt bei einer solaren Einstrahlleistung von 1000 Watt pro m² und einer Modultemperatur von 25°C. Die Modul-Nennspannung beträgt ca. 24 Volt (Leerlaufspannung ca. 30 Volt).

Simulation der Sonneneinstrahlung durch 15 Halogen-strahler (Gesamtanschlussleistung ca. 2 kW) Die Strah-ler werden mittels PC über die Messwerte-Busverbindung geschaltet.

1 Temperaturfühler für die Oberflächentemperatur des PV-Moduls, 1 Stromsensor zur Messung des Mo-dulstroms, 1 Spannungsmessung für die Modulspan-nung.

Inselstromversorgung, betriebsfertig installiert (Batterie-Laderegler mit Tiefentladeschutz, Blei-Gel-Batterien, Wechselrichter)

Belastungseinheit 2 x 21 Watt, in zwei Stufen schaltbar


Systemmodul ,Hybridkollektor‘ - mit Sonnensimulation, Solarthermie und Photovoltaik

Abb. zeigt das Systemmodul ,Hybridkollektor‘




7.2





7.2

Versuchsdurchführungen Wärmepumpen Basisfunktion

Abb. zeigt Versuch ,Luft-Wasser-Wärmepumpe‘

Durch die PC-gestützte Datenerfassung können die Präsentation der Messwerte und deren Verarbeitung in vielfältiger Weise erfolgen. So kann z.B. die Funktion eines Wärmemengenzählers (Watt-/Kilowattstunden) sehr einfach realisiert werden. Im Gegensatz zu einem hardwaremäßig vorhandenen Wärmeflusszähler kann der PC mit absoluten Tempera-turdifferenzen rechnen, so dass immer aktuelle Wärmeflussraten angezeigt und Wärmemengen gezählt wer-den, unabhängig von einer positiven oder negativen Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf. Die Temperaturfühler müssen nicht getauscht werden, wenn z.B. der Gebläsekonvektor wechselweise als Wärme-quelle oder Senke betrieben wird.

Abb. zeigt Versuch ,Wasser-Luft-Wärmepumpe‘

PC-Messwerterfassung:

Abb. links zeigt Versuch ,Wasser-Wasser-Wärmepumpe‘




Versuchsdurchführungen Solarkollektor Basisfunktion


7.2

Versuchsdurchführungen Hydraulische Entkopplung

Versuchsdurchführungen Solare Heizkreisunterstützung

Abb. zeigt Versuch ,Thermischer Solarkollektor‘ Abb. zeigt Versuch ,Hybrid Solarkollektor, Photothermie‘

Abb. zeigt Versuch ,Wärmepumpe Wasser-Luft‘

Abb. zeigt Versuch ,Solarkollektor Pufferspeicher‘ Abb. zeigt Versuch ,Luft-Wasser-Wärmepumpe Solarthermie‘

Alle Sensorsignale stehen über eine WLAN-Verbindung für die Datenerfassung und Präsentation mit einem Computer zur Verfügung. Durch die umfangreiche Zusatzmesstechnik kann der komplette energetische Verlauf der Wärmepumpe erfasst werden. Drücke, Temperaturen, Wärmeströme, Wärmeerträge usw. können abhän-gig von der Art der Darstellung numerisch oder grafisch sehr anschaulich dargestellt werden. Alle Systemmodelle verfügen über einen Messwerte-Bus, d.h. eine steckbare 37-polige Kabelverbindung. Je-weils rechts und links befindet sich auf der Rückseite der Systemmodelle eine 37-polige Steckbuchse. Mittels kurzer Verbindungskabel können die Systemmodelle messtechnisch gekoppelt und mit der Wärmepumpe ver-bunden werden. Das bedeutet, auch wenn die Wärmepumpe für einen aktuellen Versuch (z.B. Solarkollektor mit Speicher) nicht benötigt wird, müssen die dabei verwendeten Systemmodelle mit der Wärmepumpe gekop-pelt werden. Die Wärmepumpe muss dabei an das Stromnetz angeschlossen und der Hauptschalter einge-schaltet sein.

Nutzungshinweise:




Alternative / Regenerative Energien Versuchsanlage Wärmepumpe / Solarkollektor

7.2

Bei der direkten Kombination zwischen Solarthermie und Wärmepumpe heizen beide Systeme über einen Wär-metauscher das Wasser im Warmwasserspeicher auf. Das System funktioniert wie eine herkömmliche Hei-zungsanlage. Je nach Bedarf steuern Wärmepumpe oder Solarthermieanlage mehr oder weniger Energie bei. Bei der indirekten Kombination wird die von der Solarthermieanlage produzierte Wärme genutzt, um den Ertrag der Wärmepumpe zu steigern (anheben der Quelltemperatur). Der Versuchs- und Demonstrationsaufbau Wärmepumpe/Solarkollektor ermöglicht die Untersuchung des Be-triebsverhaltens einer Wärmepumpe und eines Solarkollektors. Von besonderer Bedeutung sind dabei die erzielbaren Wärmeerträge dieser alternativen/nachhaltigen Wärme-erzeuger und deren Einsatzmöglichkeiten. Durch den speziellen Versuchsaufbau lassen sich unterschiedlichste Be-triebsbedingungen simulieren. Die Wärmepumpe kann als Luft-Wasser- oder Wasser-Wasser-Wärmepumpe betrieben werden. Die vorhandene Messtechnik (Temperaturen, Volumenströme, Energieverbrauch) erlaubt eine vollstän-dige energetische Untersuchung des Wärmepumpen- und Solarkollektor-betriebes. Der Solarkollektor ist für den Simulationsbetrieb in Räumlichkeiten vorge-sehen. Die zum Betrieb notwendige Sonneneinstrahlung wird durch ein Halogen-Strahlerfeld erzeugt. Der Versuchsaufbau verfügt über alle Stan-dardkomponenten (Kollektor, Komplettstation, MAG, Solarregler, usw.) einer thermischen Solaranlage. Der Schulungs- und Demonstrationsstand erlaubt die umfassende Unter-suchung einer alternativen/nachhaltigen Warmwasserbereitung bei einer direkten Kombination von Wärme-pumpe und Solarkollektor.

• Wärmepumpe Wasser/Wasser, handelsübliches Gerät mit einer speziellen Programmierung für si-cheren Betrieb (ca. 6 kW Wärme-leistung), beleuchtetes Sichtfenster zur Bauteilerklärung

• Bivalenter Warmwasserspeicher 300 Liter, Tauscherfläche ausgelegt für Wärmepumpenbetrieb

• Umschaltbare Wärmequelle, Was-ser-Wasser / Luft-Wasser

• Umschaltbare Wärmesenke, Spei-cher / Wärmetauscher

• Komplette Messtechnik zur Bilan-zierung des energetischen Verhal-tens

• PC-Datenerfassung zur übersichtli-chen Darstellung der Messwerte und Energieströme

• Solarkollektor 2 m²

• Halogen-Strahlerfeld zur Sonnensi-mulation

• Solarregler für Einstell- und Inbe-triebnahmeübungen

• Betriebsfertige Anlage, fahrbar auf-gebaut

Wichtige Merkmale:

Kombination von Solarthermie & Wärmepumpe

Abbildung zeigt die Vorderansicht der Versuchsanlage

Abbildung zeigt die Rückansicht der Versuchsanlage

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