Feldanalyse von Wärmepumpenanlagen FAWA-Schlussbericht-2003_mAnhang_def

ENET-Bestell-Nr.: 240016 DIS-Projekte Nr.: 34483, 100064

F&E-Programm Umgebungswrme, Abwrme, Wrme-Kraft-Kopplung

Im Auftrag des Bundesamtes fr Energie

Schlussbericht, April 2004

Feldanalyse von Wrmepumpenanlagen FAWA 1996-2003

ausgearbeitet durch Markus Erb Dr.EICHER+PAULI AG Kasernenstrasse 21 4410 Liestal Peter Hubacher Hubacher Engineering Tannenbergstrasse 2 9032 Engelburg Max Ehrbar Interstaatliche Hochschule fr Technik Buchs Werdenbergstrasse 4 9471 Buchs

Auftraggeber: Bundesamt fr Energie BFE, 3003 Bern, Sektion Erneuerbare Energien, Bereich Umgebungswrme/WKK/Klte, vertreten durch Fabrice Rognon

Leitung Projektteam: Frau Gaby Brugger, Prsidentin FWS (bis 2001) Fabrice Rognon, Bundesamt fr Energie BFE (ab 2002)

Auftragnehmer: Dr.Eicher+Pauli AG, Kasernenstrasse 21, 4410 Liestal Hubacher Engineering, Tannenbergstrasse 2, 9032 Engelburg (Projektleitung)

Autoren: Markus Erb ([email protected]) Peter Hubacher ([email protected]) Max Ehrbar ([email protected])

Begleitgruppe: Markus Real, Alpha Real AG (Leitung) Fabrice Rognon, Bundesamt fr Energie BFE Max Ehrbar, Interstaatliche Hochschule fr Technik Buchs Heinz Etter, Neukom Engineering AG Emil Grniger, Soltherm AG (bis 2001) Marco Andreoli, CTA AG (ab 2003) Thomas Haldimann, Installateur Peter Meyer, Meyer Energietechnik AG Christoph Wehrli WPZ (bis 2001) Wolfgang Rogg, WPZ (ab 2002 - 2003)

Feldanalyse von Wrmepumpenanlagen - FAWA Schlussbericht, April 2004

Diese Studie wurde im Rahmen des Programms Umgebungswrme, Abwrme, Wrme-Kraft-Kopplung des Bundesamts fr Energie BFE erstellt. Fr den Inhalt ist alleine der/die Studiennehmer/in verantwortlich. EnergieSchweiz Bundesamt fr Energie BFE, Worblentalstrasse 32, CH-3063 Ittigen Postadresse: CH-3003 Bern Tel. 031 322 56 11, Fax 031 323 25 00 [email protected] www.energie-schweiz.ch Vertrieb: ENET Nr. 240016

Zusammenfassung

ZieleUrsprngliches Ziel von FAWA (Feldanalyse von Wrmepumpenanlagen) war es, die energetische Effizienz von Kleinwrmepumpen bis 20 kWth im Feld mit statistischen Methoden zu dokumentieren und Verbesserungspotentiale aufzuzeigen. Das Projekt wurde 1996 vom Bundesamt fr Energie als Begleitmassnahme zur Wrmepumpenfrderstrategie gestartet. Im Laufe von FAWA zeigte sich, dass mit den erhobenen Daten auch tiefer gehende Analysen zum Anlagenverhalten ber lngere Zeit und empfehlenswerten Anlagenkonzepten durchgefhrt werden knnen. FAWA beschreibt und analysiert also die heutige Realitt im Feld und liefert dadurch Hinweise fr die Planung. Aufgrund des statischen Charakters der Daten knnen die daraus abgeleiteten Ergebnisse aber nicht als allgemeingltige Planungsregeln verstanden werden.

VorgehenSeit Projektstart wurden jhrlich 30 neu erstellte Anlagen in FAWA aufgenommen, wobei auch die Jahrgnge 94/95 nachtrglich erfasst wurden. Von 221 der total 236 Anlagen liegen heute Jahresarbeitszahlen (JAZ) vor. Diese gliedern sich in je ca. 45% Luft/Wasser- und Sole/Wasser-Anlagen. Den Rest bilden Wasser/Wasser- und Erdregisteranlagen, ber welche aber keine statistisch gesicherten Aussagen gemacht werden knnen. Bis heute wurden 1.3 Mio. Betriebsstunden, resp. 740 Betriebsjahre erfasst. Damit kann FAWA als die wohl weltweit grsste und am besten dokumentierte Qualittsuntersuchung eines Wrmesystems bezeichnet werden. Die JAZ-Berechnungen basieren auf Ablesungen der installierten Elektro- und Wrmezhler durch die Anlagenbesitzer. Neben den Energiemengen wurde die Hlfte der Anlagen auch bezglich der Systemtemperaturen untersucht. Darauf basierend ist auch geprft worden, wie weit sich die realen Aggregate bezglich Arbeitszahlen und Wrmeproduktion von den aus Daten einer allflligen EN 255 Prfung (WPZ), resp. aus Herstellerangaben berechneten, unterscheiden.

Objekte und VorlauftemperaturenNeubau- und Sanierungs-Anlagen unterscheiden sich bezglich der JAZ-relevanten Grssen nur durch die Vorlauftemperatur. Im Mittel liegt diese bei den Sanierungs-Anlagen um 5K hher und die JAZ entsprechend um 9% tiefer. Am Auslegepunkt stimmen Planungs- und Messwerte der Vorlauftemperatur gut berein. Es wurden jedoch zwei starke Hinweise auf Optimierungspotentiale gefunden. Beide betreffen die Planung. Es wurde festgestellt, dass die Energiekennzahlen (EKZ) der Objekte nicht mit den jeweiligen Vorlauftemperaturen korrelieren. Eine tiefe EKZ wrde aber hufig tiefere Vorlauftemperaturen ermglichen, was in der Planung kaum bercksichtigt wird. Weiter hat sich gezeigt, dass die am Regler eingestellten Vorlauftemperaturen (Heizkurven) zwar gut den Planungswerten entsprechen, diese aber hufig ber dem real notwendigen Wert liegen.

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FESTSTELLUNG

Ein betrchtliches energetisches Optimierungspotential besteht bei der Auslegung des Abgabesystems. Die eingestellten Heizkurven liegen i.b. bei den Sole/Wasser-Anlagen hufig ber dem heiztechnisch erforderlichen Niveau, was energetisch nachteilig ist. Die Vorlauftemperatur hat einen grossen Einfluss auf die energetische Effizienz einer Anlage, sie sollte deshalb so niedrig wie mglich geplant werden. Die Komfortansprche der Kunden (Bodenoberflchentemperaturen) mssen dabei bercksichtigt werden. Bei vielen der untersuchten Anlagen kann durch entsprechende Reglereinstellung leicht eine energetische Verbesserung erreicht werden.

EMPFEHLUNG

Resultate:

Kap. 5.3.3 und 5.3.5 (p 51 f und p 54 ff.)

Interpretation: Kap. 6.1 und 6.3.3 (p 77 und p 80)

JAZ-EntwicklungDie Sole/Wasser-Anlagen (S/W) liegen mit einer mittleren JAZ von 3.5 um 32% ber dem Wert von Luft/Wasser-Anlagen (L/W) mit 2.7. Festgestellt wurde auch, dass wohl wegen der sehr unterschiedlichen Leistungsfhigkeit der Erdwrmesonden die JAZ von S/W-Anlagen eine viel grssere Streuung aufweisen als jene der L/W-Anlagen. Bezglich der Verbesserung seit 1994/95 liegen die beiden Gruppen bei ca. 15%. Die auf den Schweizerischen Anlagenpark hochgerechneten Jahresarbeitszahlen mit 59% L/W- und 41% S/W-Anlagen zeigen seit Projektbeginn eine Zunahme um 20% von 2.5 auf 3.0. Diese Zunahme entspricht sehr gut den Ergebnissen des Wrmepumpentestzentrums Tss (WPZ). Auch das FAWA-Ergebnis, dass sich die JAZ seit 1999 kaum mehr verndern, entspricht den WPZ Daten.

FESTSTELLUNG

Die durchschnittlichen JAZ der gemessenen Anlagen verbessern sich ber die Jahre. Der am WPZ festgestellte Verlauf widerspiegelt sich auch im Feldbetrieb. Die im Feld gemessenen Verbesserungen sind primr auf bessere Maschinen zurckzufhren.

Resultate:

Kap. 5.2 (p 43 ff.)

Interpretation: Kap. 6.2 (p 78)

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KundenzufriedenheitBei einer 1997 durchgefhrten Umfrage gaben 78% der Befragten WP-Besitzer an, sehr zufrieden zu sein. Weitere 17% waren ziemlich zufrieden. Lediglich 3% meldeten Vorbehalte und 2% waren gar nicht zufrieden mit ihrer Wrmepumpe. Dieses doch erfreuliche Ergebnis hat sicher auch mit der in FAWA festgestellten hohen Verfgbarkeit von Wrmepumpenanlagen von 99.5% zu tun.

FESTSTELLUNG

Wrmepumpenanlagen haben sehr wenige Strungen. Sole/Wasser-Anlagen und Anlagen ohne technischen Speicher schneiden diesbezglich am besten ab.

Resultate:

Kap. 5.1 und 5.3.1 (p 41 ff. und p 48 ff.)

Interpretation: Kap. 6.3.1 (p 79)

AlterungEbenfalls unerwartet gut haben die Anlagen bezglich Alterung abgeschnitten. Whrend den acht erfassten Betriebsjahren konnte weder bei L/W- noch S/W-Anlagen eine signifikante Reduktion der JAZ festgestellt werden.

FESTSTELLUNG

ber acht Messjahre wurde bisher keine Verschlechterung der JAZ festgestellt. Verschmutzung des Verdampfers und Abkhlung der Erdwrmesonden sind also bisher keine Themen.

Resultate:

Kap. 5.3.2 (p 50 ff.)


Reglerberdurchschnittlich gut haben Anlagen mit Regler mit Raumtemperaturkompensation abgeschnitten. Der festgestellte positive Effekt auf die JAZ von gut 8% kann maximal zur Hlfte durch die Kompensation von externen Lasten (z.B. Sonnenschein) erklrt werden. Es ist deshalb anzunehmen, dass die Regler primr zu hoch eingestellte Heizkurven korrigieren.

FESTSTELLUNG

Regler mit Raumtemperaturkompensation fhren zu tieferen Vorlauftemperaturen und damit zu Energieeinsparungen ohne Komforteinbusse. Regler mit Raumtemperaturaufschaltung sind empfehlenswert.

EMPFEHLUNG

Resultate:

Kap. 5.3.3 (p 51 f.)


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ZusatzheizungenDer reale Betrieb von L/W-Anlagen hat gezeigt, dass elektrische Zusatzheizungen fr den normalen Heizbetrieb nicht bentigt werden, also auch bei tiefen Aussentemperaturen der gesamte Wrmebedarf durch die Wrmepumpe abgedeckt werden kann. Elektrische Zusatzheizungen knnen aber fr die Inbetriebnahme und Bauaustrocknung trotzdem sinnvoll sein. Aufgrund der gemessenen Auslastungen bei Auslegebedingungen muss festgestellt werden, dass i.b. die S/WAggregate hufig berdimensioniert sind. Dies hat primr konomisch nachteilige Folgen.

FESTSTELLUNG

Luft/Wasser-WP knnen im Mittelland problemlos monovalent betrieben werden. Im normalen Heizbetrieb wird keine elektrische Zusatzheizung bentigt. Fr die Inbetriebnahme und Bauaustrockung kann ein Elektroeinsatz sinnvoll sein. Sole/Wasser-WP werden hufig zu gross ausgelegt, was sich negativ auf die Kosten auswirkt. Sicherheitszuschlge bei der Auslegung von Sole/Wasser-WP sind zu vermeiden.

EMPFEHLUNG

Resultate:

Kap. 5.3.4 (p 52 ff.)


WarmwassereinbindungFAWA zeigt, dass durch die Einbindung der Warmwasserbereitung deutliche kologischenergetische Vorteile gegenber Elektroboilern erzielt werden. Deutliche Unterschiede konnten auch bezglich der verschiedenen Typen der Einbindung der Warmwasserbereitung festgestellt werden. Bezglich energetischer Effizienz haben sich separate, knapp dimensionierte Boiler (ein Tagesbedarf) mit innenliegendem Wrmetauscher am besten bewhrt.

FESTSTELLUNG

Die Warmwasserbereitung mittels Wrmepumpe hat im Vergleich zu Elektroboilern deutliche kologisch-energetische Vorteile. Die Warmwasserbereitung sollte in die WP-Anlage integriert werden. Am besten bewhrt haben sich dabei einfache Boiler mit innenliegendem Wrmetauscher. Kombispeicher sollten nur bei Einbindung von anderen Energiequellen (Sonne, Holz) verwendet werden.

EMPFEHLUNG

Resultate:

Kap. 5.3.6 (p 56 ff.)


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Technische SpeicherTechnische Speicher haben keinen positiven Einfluss auf die JAZ. Sie kosten aber Geld, beanspruchen Platz und komplizieren eine Anlage und sollten deshalb nur dort verwendet werden, wo sie auch tatschlich notwendig sind.

FESTSTELLUNG EMPFEHLUNG

Technische Speicher haben keinen Einfluss auf die Jahresarbeitszahl. Technische Speicher verteuern und komplizieren die Anlagen und sollten deshalb nur dort verwendet werden, wo sie auch tatschlich notwendig sind.

Resultate:

Kap. 5.3.7 (p 59 ff.)


ErdwrmesondenWie erwhnt sind bei den JAZ von S/W-Anlagen grosse Differenzen festzustellen. Die Vermutung, dass ein wichtiger Grund dafr in den stark unterschiedlichen Eigenschaften des komplexen Teilsystems Erdreich-Erdwrmesonde-Erwrmesondenkreislauf zu finden ist, hat sich besttigt. Die gemessenen Soletemperaturen liegen zwar im Mittel mit knapp 5C recht hoch, jedoch ist ihre Streuung sehr gross. Die gemessenen Soletemperaturen konnten nur teilweise durch die Geologiedaten erklrt werden. Die heute verwendete Faustregel fr die Sondenauslegung von 50 W/m konnte nicht als Garant fr ein gutes Ergebnis besttigt werden. Als Auslegegrsse wre die jhrliche Entzugsenergie pro Sondenlnge empfehlenswerter. Ein grosses und relativ einfach zu erschliessendes Optimierungspotential konnte bei den Umwlzpumpen im Solekreis geortet werden. Die berdimensionierung der Solepumpen wirkt sich deutlich negativ auf die JAZ der Soleanlagen aus.

FESTSTELLUNG

Die Sole/Wasser-Wrmepumpen werden meist zu gross gewhlt. Wird die Erdwrmesonde gemss der WP-Leistung ausgelegt, so ist auch diese meist zu lang. Die Soletemperatur wird von verschiedenen, i.b. geologischen Faktoren, bestimmt. Liegen hierzu keine detaillierten Informationen vor, so besteht ein betrchtliches Unsicherheitspotential. Solekreispumpen sind hufig berdimensioniert, was einen deutlich negativen Einfluss auf die energetische Effizienz der Anlagen hat. Nur eine bedarfsgerechtere Auslegung der Erdwrmesonde fhrt zu einem konomisch und energetisch optimalen Resultat. Bohrfirmen sollten sich strker bei dieser Aufgabe engagieren. Es ist auf eine korrekte Auslegung der Solekreispumpe zu achten.

EMPFEHLUNG

Resultate:

Kap. 5.3.8 (p 61 ff.)


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Wrmepumpen-AggregateEin sehr erfreuliches Resultat ergab die Analyse der energetischen Qualitt der eigentlichen Wrmepumpenaggregate im Feld. Auf Basis von Prfstandsmessungen wurde eine Voraussage bezglich der Arbeitszahl von S/W-Maschinen gemacht und diese mit den Feldmessungen verglichen. Diese Berechnungen zeigen im Mittel nur eine Abweichung gegenber den Prfstandsdaten von -4%. Dies zeigt, dass sich am WPZ festgestellte Verbesserungen der Aggregate direkt auf die energetische Effizienz der Anlagen auswirken. Weiter wird belegt, dass die zur WPZ-Prfung eingereichten Maschinen einem durchschnittlichen Produkt aus der Fabrikationsreihe der Hersteller entsprechen.

FESTSTELLUNG

Im realen Betrieb ist die energetische Effizienz von WrmepumpenAggregaten so, wie dies Prfstandsmessungen (WPZ oder Herstellerangaben) erwarten lassen.

Resultate:

Kap. 5.3.9 (p 69 ff.)


Ausblick FAWAFAWA wird in reduziertem Umfang weitergefhrt. Neue Anlagenjahrgnge knnen wegen fehlender Mittel nicht mehr aufgenommen werden. Die Aktivitten werden sich deshalb auf die Erfassung von Messdaten des vorhandenen Anlagenbestandes konzentrieren, mit dem Ziel Fragen zu Alterung und Lebensdauer von Wrmepumpenanlagen auf den Grund zu gehen.

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Dank

Das FAWA-Team mchte sich bei allen bedanken, die sich in irgendeiner Form fr das Gelingen dieses Projekts eingesetzt haben. Unser Dank richtet sich insbesondere an die Anlagenbesitzer, die mit viel Elan und noch mehr Ausdauer die Betriebsdaten ihrer Anlagen protokollieren. Diese Daten bilden die Basis des Projekts und sind deshalb von unschtzbarem Wert. Unser Dank gilt weiter jenen Personen, die uns jedes Jahr Kontakte zu interessierten Bauherren geliefert haben. Insbesondere waren das Energiefachstellen, Wrmepumpenhersteller, Installateure, Planer und Elektrizittswerke. Last but not least wollen wir uns bei der FAWA-Begleitgruppe und speziell auch beim Bundesamt fr Energie, Fabrice Rognon, Bereichsleiter Umgebungswrme, fr die kreative Begleitung bedanken.

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Inhaltsverzeichnis

ZUSAMMENFASSUNG DANK INHALTSVERZEICHNIS 1. 2.2.1 2.2

I VII VIII 1 22 3

EINLEITUNG ZIELE UND PROJEKTABLAUFZiele Projektablauf

3.3.1

VORGEHENKriterien der Anlagenwahl

44 5 6 7 9 10 11 11 11 11 12 15 16 18 18 19 20 21 21 22 25 28 32 33 33 34 34 34 36 36 36 37

3.2 Messmethodik 3.2.1 Langzeitmessungen 3.2.2 Kurzzeitmessungen 3.2.3 Anlagen mit Erdwrmesonden 3.2.4 Nutzerbefragung 3.3 Definitionen und Modelle 3.3.1 Heizperiode 3.3.2 Aussentemperatur 3.3.3 Arbeits- und Jahresarbeitszahl 3.3.4 Fehlerrechnung fr Arbeits- und Jahresarbeitszahlen 3.3.5 Klimanormierte JAZ (nJAZ) 3.3.6 JAZ Anlagenpark Schweiz 3.3.7 Auslastung bei Auslegebedingungen 3.3.8 Speicherverlustmodell 3.3.9 Abtaukorrektur 3.3.10 Verfgbarkeit 3.4 Normierung mit Modellwerten 3.4.1 Einfhrung 3.4.2 WP-Modell 3.4.3 Einfluss von Temperaturen und Anlagenkomponenten auf nJAZ 3.4.4 Einfluss von WP-Komponenten und Betriebweise auf AZ 3.5 Rechenwerkzeuge 3.5.1 Anlagenfile 3.5.2 Allgemeine Daten 3.6 Datenkontrolle 3.6.1 Fehlerdetektion und -korrektur 3.6.2 Wrmezhlerkalibrierung 3.7 bergeordnete Qualittssicherung 3.7.1 Begleitgruppe 3.7.2 Experte 3.7.3 Externe Software-berprfung

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3.7.4

Plausibilittskontrolle

37

4.4.1 4.2

ANLAGENBERSICHTGebude Anlagentypen

3939 40

5.5.1

RESULTATEZufriedenheit

4141 43 45 46 48 48 50 51 52 54 56 59 61 69

5.2 Energetische Effizienz 5.2.1 Zeitliche Entwicklung Anlagengruppen 5.2.2 Entwicklung CH-Anlagenpark 5.3 Vertiefte Analysen 5.3.1 Verfgbarkeit 5.3.2 Alterung 5.3.3 Regelung 5.3.4 Betriebsart und Auslegung 5.3.5 Energiekennzahlen und Vorlauftemperaturen 5.3.6 Warmwasser 5.3.7 Speichereinbindung 5.3.8 Erdwrmesonden 5.3.9 Erwartungswert

6.6.1

INTERPRETATION UND EMPFEHLUNGENObjekte und Vorlauftemperaturen

7777 78 78 78 79 79 79 80 80 81 81 82 83

6.2 Energetische Effizienz 6.2.1 Luft- vs. Erdwrmesondenanlagen 6.2.2 JAZ-Entwicklung 6.3 Vertiefte Analysen 6.3.1 Verfgbarkeit 6.3.2 Alterung 6.3.3 Regelung 6.3.4 Betriebsart und Auslegung 6.3.5 Warmwasser 6.3.6 Speichereinbindung 6.3.7 Erdwrmesonden 6.3.8 Erwartungswert

7. 8. 9. 10.10.1 10.2

SCHLUSSWORT UND AUSBLICK LITERATUR SYMBOLVERZEICHNIS UND GLOSSAR ANHANGNichtklimanormierte Jahresarbeitszahlen (JAZ) EWS-Sensitivitten

85 87 88 9191 93

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1.

Einleitung

Die Wrmepumpe ist keine neue Erfindung, sie ist seit mehr als 100 Jahren bekannt. In der Schweiz wurden bereits in den 40er Jahren des letzten Jahrhunderts mehrere Wrmepumpen installiert. Der Durchbruch geschah im Zuge der lkrise (Ende 70er Jahre) und entwickelte sich abgesehen von einem grsseren Einbruch anfangs der 80er Jahre stetig nach oben. Das BFE hatte aufgrund der energiepolitischen Ziele ein grosses Interesse an der Verbreitung der Wrmepumpe, da diese auch dem Bereich der erneuerbaren Energie zugeordnet wurde. Die Annahme des Energieartikels am 23.9.1990 fhrte beim BFE zu einem Handlungsauftrag fr die Frderung der rationellen Energieverwendung und der erneuerbaren Energien. Mit dem Frderprogramm Energie 2000 wurde dieses Ziel weiter verfolgt und sehr erfolgreich vorangetrieben. Das Nachfolgeprogramm EnergieSchweiz hat diese Aktivitten nahtlos weiter gefhrt. Die Hauptziele fr die Wrmepumpenfrderung sind Vertrauen schaffen, die Bekanntheit steigern, die Kenntnisse fachlicher Zielgruppen erweitern, die Qualitt und Effizienz verbessern. Das Ziel war also keine wilde Frderung, sondern durch Qualitt zufriedene Wrmepumpenbesitzer zu gewinnen. Im Jahre 1993 wurde im Rahmen der Aktionsgruppe regenerierbare Energien (AGR) von Energie 2000 das Konzept einer Qualittskontrolle fr Systeme zur Nutzung erneuerbarer Energien aufgearbeitet. Im Bereich Wrmepumpen wurden rasch verschiedene Mglichkeiten fr die Durchfhrung einer Qualittssicherung diskutiert. Man wollte die schlechten Erfahrungen des ersten Wrmepumpenbooms der 80er Jahre vermeiden. Damals hat sich der schlechte Ruf dieser Technologie wegen mangelhafter Qualitt und fehlender Kompetenz der Akteure schnell verbreitet und sich auf die Verbreitung der Wrmepumpe negativ ausgewirkt. Bereits damals waren einige Werkzeuge, wie diverse Hefte fr den Wrmepumpenbereich, etc. und erste Normen oder Richtlinien, z.B. von der Arbeitsgemeinschaft Wrmepumpen (AWP) vorhanden. Im Rahmen des ersten Impulsprogrammes (IP Haustechnik) wurden in den 80er Jahren zusammen mit Fachverbnden auch verschiedene Publikationen erstellt. Auch erste systematische Feldmessungen an Wrmepumpenanlagen wurden im Rahmen von Forschungsprojekten des NEFF (Nationaler Energieforschungsfond) durchgefhrt. Die Situation wurde 1993 mit der Grndung der Frdergemeinschaft Wrmepumpen Schweiz FWS und des Wrmepumpentest- und Ausbildungszentrums WPZ wesentlich verbessert. Die FWS hat aufbauend auf dem WPZ ein ganzes Spektrum von Instrumenten zur Qualittssicherung entwickelt und umgesetzt: Ausbildung von Fachpartnern, Einfhrung des Gtesiegels fr Wrmepumpen, Schaffung einer Anlaufstelle fr Problemflle. Im Bereich Marketing wurde der Begriff WPZ-geprft erfolgreich etabliert. Weiterhin blieb jedoch eine Unsicherheit bezglich der Qualitt von real betriebenen Anlagen, bestehend aus Wrmequelle, Wrmepumpe und Wrmeverteilung inkl. Einbindung der Warmwasseraufbereitung. Das BFE sah deshalb den Bedarf nach einer Erfolgskontrolle bezglich der Wrmepumpenfrderstrategie. Einzig eine umfassende Messkampagne im Feld konnte diese zentrale Information fr die Steuerung der Aktivitten im Bereich Umgebungswrme liefern. So entstand ursprnglich die Arbeitsgruppe QS-WP und dann das Projekt Feld-Analyse von Wrmepumpen-Anlagen (FAWA).

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2.

Ziele und Projektablauf

2.1 ZieleZiel von FAWA ist es, die energetische Effizienz von Kleinwrmepumpen bis 20 kWth im Feld mit statistischen Methoden zu dokumentieren und Verbesserungspotentiale aufzuzeigen. Das Projekt wurde 1996 vom Bundesamt fr Energie als Begleitmassnahme zur Wrmepumpenfrderstrategie gestartet. Die Hauptziele fr die Wrmepumpenfrderung bis zum Jahr 2000 waren Vertrauen schaffen, die Kenntnisse aller Zielgruppen erweitern, die Bekanntheit steigern, die Qualitt und Leistungszahl verbessern und damit die Anzahl der Wrmepumpenanlagen auf 100'000 Stck zu erhhen. In diesem Zusammenhang wurde vom BFE das Projekt FAWA initiiert. Die Kernziele von FAWA sind: Bestimmen eines statistischen Mittels der Jahresarbeitszahlen von realen Wrmepumpenanlagen mit einer Heizleistung von maximal 20 kW. Aufzeigen der Entwicklung der durchschnittlichen Jahresarbeitszahlen nach Anlagenbaujahren. Vergleich von Effizienzdaten, die am Wrmepumpentestzentrum Tss (WPZ) gemessen wurden, mit den Feldmessungen von baugleichen Wrmepumpenaggregaten. Erkennen von Vernderungen der Jahresarbeitszahlen mit zunehmendem Alter der Anlagen (Alterungseffekte). Bestimmen der Auslastung von Wrmepumpenaggregaten, resp. Ausweisen der realen Leistungsreserven.

Im Laufe des Projektes wurden von der Begleitgruppe aufgrund bereits vorliegender Resultate weitere Ziele formuliert: Bestimmen der Zuverlssigkeit von Wrmepumpenanlagen (Verfgbarkeit) und Festhalten der wichtigsten Ursachen von Betriebsausfllen. Vergleich der Arbeitszahlen von Anlagen mit und ohne Integration der Warmwasserbereitung. Auswirkungen von technischen Speichern auf Betriebsregime (Takten) und Arbeitszahl bei verschiedenen hydraulischen Einbindungen. Ableiten von statistisch gesicherten Faziten, die zur Qualittssteigerung in Planung und Realisierung von neuen Wrmepumpenanlagen beitragen knnen.

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2.2 ProjektablaufUm die Qualittssicherung bei Wrmepumpenanlagen zu beeinflussen, wurde im April 1995 vom BFE ein Projekt zur Sicherstellung der Effizienz bei elektrischen Wrmepumpen im Betrieb lanciert. Es wurden die damals wichtigsten Fragen und Ziele aufgenommen. Das ausgearbeitete Pflichtenheft wurde am 30. Mrz 1995 verabschiedet und anschliessend ausgeschrieben. Das Projekt QS-WP, wie es anfnglich genannt wurde, war in drei Teilbereiche (Teilprojekte) gegliedert: Teilprojekt 1 Werkzeuge; Teilprojekt 2 Umsetzung; Teilprojekt 3 Marketing. Der Bereich Marketing wurde nach einem Jahr im Rahmen der Frdergemeinschaft Wrmepumpen Schweiz FWS weitergefhrt, das Teilprojekt 1 Werkzeuge wurde im Rahmen des Forschungsprojektes Standardschaltungen STASCH [2] weiter bearbeitet. Die Arbeitsgemeinschaft wurde bei der Anlagenauswahl von Elektrizittswerken, Installateuren, Herstellern und Energiefachstellen untersttzt. Diese lieferten Adressen interessierter Bauherrschaften. Aus diesen konnten dann geeignete Anlagen ausgewhlt werden. Zu Beginn des Projekts musste einige berzeugungsarbeit geleistet werden, um Anlagenbesitzer fr die Teilnahme an FAWA zu gewinnen. Der Aufwand der Anlagenbesitzer liegt im Ablesen der vom Projektteam installierten Zhler. Im Laufe der Jahre hat FAWA einen recht hohen Bekanntheitsgrad erreicht, und die Anlagensuche hat sich dadurch deutlich vereinfacht. Zu Beginn des Projektes wurden die Anlagen zufllig aus dem Pool an interessierten Anlagenbesitzern ausgewhlt. Hufig bestand aber keine grosse Auswahlmglichkeit, da es schwierig war, berhaupt gengend Interessierte zu finden. Im Jahr 2000 wurden erste Erkenntnisse unter dem neuen Namen FAWA anlsslich eines zweitgigen Workshops mit der Fachbranche besprochen. Um Missverstndnisse zu vermeiden, wurde beschlossen, dass die Kommunikation der FAWA-Erkenntnisse via FWS erfolgen soll. Der Zeitrahmen wurde fr das Projekt bis 2005 verlngert. An der 6. UAW Tagung 1999 in Burgdorf mit dem Thema Wrmepumpen heute und morgen wurde ein erster Schwerpunkt zur Information ber die Kleinwrmepumpen gesetzt. Die Mehrheit der Referate hatte die Feldanalyse zum Thema [1]. Auch an der 8. UAW Tagung 2001 wurde ein Referat zu den Erkenntnissen von FAWA gehalten. Das Thema war damals Erfahrungen an Retrofit-Anlagen im Betrieb und umfasste die Erfahrungen und Lehren mit WP bei Altbauten (Sanierungen, insbesondere Ersatz von Heizkesseln durch WP). Im Jahre 2003 wurde vom Bundesrat und den eidg. Rten bedeutende finanzielle Krzungen beschlossen, welche die Weiterfhrung von FAWA im bisherigen Umfang in Frage stellen. Daher wurde beschlossen, FAWA mit dem vorliegenden Schlussbericht vollumfnglich zu dokumentieren. FAWA wird in reduziertem Umfang weitergefhrt. Neue Anlagenjahrgnge knnen wegen fehlender Mittel nicht mehr aufgenommen werden. Die Aktivitten werden sich deshalb auf die Erfassung von Messdaten des vorhandenen Anlagenbestandes konzentrieren, mit dem Ziel Fragen zu Alterung und Lebensdauer von Wrmepumpenanlagen auf den Grund zu gehen.

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3. Vorgehen

FAWA hat also zum Ziel, statistisch gesicherte Aussagen zur Qualitt im Feldbetrieb von in der Schweiz installierten Wrmepumpenanlagen mit einer Leistung bis maximal 20 kWth zu machen. Insbesondere interessiert deren Entwicklung ber die Jahre. Weiter sind aber auch jene Parameter gesucht, welche die Unterschiede zwischen verschiedenen Anlagen, respektive Anlagengruppen verursachen. Das grundstzliche Vorgehen besteht darin, mglichst viele Anlagen energietechnisch zu erfassen. Um Vernderungen der Technologie der letzten Jahre zu erkennen, wurden pro Jahr rund 30 neue WP-Anlagen ins Projekt aufgenommen. Die Anlagen verbleiben dann solange im Sample, wie die Anlagenbetreiber bereit sind, die installierten Zhler periodisch abzulesen (vgl. unten). Jedes Jahr erhht sich damit die Zahl der untersuchten Anlagen.

3.1 Kriterien der AnlagenwahlZu Beginn des Projektes waren noch keine Messdaten bezglich der statistischen Verteilung (Standardabweichung) der Jahresarbeitszahlen im Feld vorhanden. Es war deshalb nicht mglich, zu bestimmen, wie viele Anlagen notwendig sind, um beispielsweise einen JAZ-Mittelwert pro Jahr mit einem bestimmten Vertrauensintervall (CI, vgl. Kap. 9) zu erhalten. Nicht zuletzt budgetbedingt wurde die Zahl der pro Jahr neu aufzunehmenden Anlagen auf 30 festgelegt. Bei der konkreten Anlagenwahl wird jeweils versucht, mglichst viele der folgenden Kriterien zu erfllen: 1. Thermische Leistung Die Wrmepumpenanlagen sollten eine thermische Leistung von maximal 20 kWth nicht berschreiten, da diese Anlagengruppe den Markt zahlenmssig dominiert. 2. Wrmequellen Luft/Wasser-, Sole/Wasser- oder Wasser/Wasser-Anlagen, wobei dem Markt entsprechend in erster Prioritt Luft und in zweiter Prioritt Sole gewhlt werden. 3. Produktionsart Seriegerte, keine Sonderanfertigungen. 4. Betriebsart Monovalent, monoenergetisch oder bivalent mit erfassbarer zweiter Wrmeerzeugung. 5. Standort Geographisch unterschiedliche Lagen. 6. Objekte Die Anlagen befinden sich in Neubauten und Sanierungsobjekten. Sanierungsobjekte definieren sich dadurch, dass sie lter sind als die WP-Anlage, diese also eine andere Anlage ersetzt hat. 7. Warmwasser Anlagen mit Warmwasserbereitung mittels WP-Anlage sollen gemss ihrem Anteil an den real installierten Systemen vertreten sein.

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8. Besitzverhltnisse Es werden nur private Anlagenbesitzer bercksichtigt, keine ffentlichen Objekte. 9. Prfung Die Wrmepumpenaggregate sind mglichst nach EN 255 geprft worden. 10. Instrumentierung Die Anlagen sind mglichst bereits mit Elektro- und Wrmezhler ausgerstet, so dass Stromverbrauch und die produzierte Wrmemenge der WP-Anlage erfasst wird. Andernfalls mssen die Anlagen mit bescheidenem Aufwand nachrstbar sein. 11. Hydraulische Einbindung Die Wrmepumpenaggregate sind in der Regel in bewhrter Weise hydraulisch eingebunden. Ein sehr wichtiges Kriterium ist die Wrmequelle, also Luft, Erdreich (Sole) und Wasser. Es hat sich im Laufe des Projektes gezeigt, dass es bei einem jhrlichen Stichprobenumfang von 30 Anlagen unmglich ist, fr alle drei Gruppen statistisch relevante Aussagen bezglich der Jahresarbeitszahl machen zu knnen. Von der Begleitgruppe wurde deshalb Ende 2000 entschieden, keine weiteren Wasser- und Erdregister-Systeme ins Messprogramm aufzunehmen, da diese in der Schweiz einen nur sehr bescheidenen Marktanteil aufweisen. Ab diesem Zeitpunkt wurden dann jeweils 15 Luft- und 15 Sole-Anlagen ausgewhlt. Heute wissen wir auch, dass die JAZStreuung bei den Sole-Anlagen deutlich hher liegt als bei den Luft-Anlagen. In Abb. 1 ist die durch FAWA festgestellte Situation fr Luft/Wasser- und Sole/Wasser-Anlagen dargestellt. Soll z.B. fr jeden Jahrgang ein CI der JAZ von 10% ( 5%) erreicht werden, so mssten pro Jahr jeweils 9 (35) L/W- und fr 14 (55) S/W-Anlagen ins Programm aufgenommen werden. Bei einer allflligen Fortfhrung von FAWA wird deshalb der Anteil der L/W- zugunsten der S/W-Anlagen entsprechend reduziert.Stichprobengrsse vs. JAZ-Vertrauensintervall0.20

S/W Jahrgnge: SD 19%0.15 CI der JAZ [%]

L/W Jahrgnge: SD 15%

0.10

0.05

0.00 0 10 20 30 40 50 Anzahl Anlagen [Stk.] 60 70 80

Abbildung 1: Je nach Standardabweichung (SD, vgl. Kap. 9) und gewnschtemVertrauensintervall (CI) verndert sich die notwendige Stichprobengrsse drastisch.

3.2 MessmethodikVon den fr FAWA ausgewhlten Anlagen werden in einem ersten Schritt alle fr das Projekt relevanten Anlagendaten erfasst. Damit werden jene Parameter bezeichnet, die sich whrend dem Betrieb nicht verndern, respektive nur durch Manipulation (z.B. Reglereinstellungen). Sie umfassen einerseits das Gebude, welches durch die Wrmepumpe beheizt wird, und anderer-

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seits die Wrmepumpenanlage selbst. Im Anhang sind die erfassten Grssen einer Anlage beispielhaft dargestellt.

3.2.1 LangzeitmessungenZum Erfassen der Betriebsdaten ber die gesamte Zeitperiode, in der sich die Anlage in FAWA befindet, werden die Anlagen mit den unten beschriebenen Zhlern ausgerstet. Diese werden von den Bauherrschaften im Idealfall wchentlich, teilweise aber auch nur alle drei bis vier Wochen abgelesen und protokolliert. Stromverbrauch: Ein Elektrozhler erfasst den Stromverbrauch der Wrmepumpenanlage. Je nach Systemgrenze wird die erfasste Energiemenge rechnerisch korrigiert. Schliesst der Zhler beispielsweise eine elektrische Zusatzheizung ein, so kann deren Beitrag ber Anschlussleistung und Laufzeit ermittelt und bei Bedarf (Systemgrenze) in Abzug gebracht werden. Messgerte: Es werden Ferraris-Induktionszhler der Genauigkeitsklasse 2 (nicht geeicht) mit einer Messunsicherheit von 2% aber auch moderne Induktionszhler (Electrex, Ulrich Matter AG) mit 0.5% verwendet. Wrmeproduktion: Ein Wrmezhler (Ultraschallgert) erfasst die von der Wrmepumpe abgegebene Wrmemenge. Wenn ein Speicher vorhanden ist und es die rumlichen Verhltnisse zulassen, wird der Wrmezhler zwischen Wrmepumpe und Speicher platziert. Rechnerische Korrekturen bezglich bestimmter Systemgrenzen werden wie beim Elektrozhler beschrieben vorgenommen. Messgerte: Mit wenigen Ausnahmen sind Wrmezhler im Einsatz, die den Durchfluss mit einem Ultraschallsensor bestimmen. Die Temperaturfhler befinden sich direkt im Medium (keine Tauchhlsen). Neben der Wrmemenge liefert der Wrmezhler auch den Volumenstrom ber dem Verflssiger. In 75% der Flle wurde der Wrmezhler von FAWA geliefert und eingebaut. Dabei wurden Neovac (Siemens) Gerte der Serien 2WR3 bis 2WR5 verwendet. Sie wurden so gewhlt, dass der durch sie verursachte Druckabfall keine relevante Reduktion des Volumenstroms erzeugte. Die Messunsicherheit dieser Zhler liegt gemss Fehlerrechnung bei maximal 2.2% (vgl. Kap. 3.3.4). Laufzeit und Starts: Wenn nicht bereits vom Wrmepumpenregler erfasst, werden Laufzeit und Anzahl Starts des Kompressors ber einen mechanischen Zhler erhoben. Bei Anlagen mit zwei Kompressoren werden diese getrennt erfasst. Messgerte: Es werden analoge Gerte von EHS Schaffhausen (Typ 920) verwendet. Diese bestehen aus einem Zeit- und einem Impulszhler. Zur Messunsicherheit knnen keine Angaben gemacht werden.

Spezialflle Elektrische Zusatzheizung: Laufzeit und Starts von elektrischen Zusatzheizungen werden durch einen zustzlichen Laufzeit/Start-Zhler erfasst. Wrme: Kann die gesamte von der Wrmepumpe abgegebene Wrmemenge nicht mit nur einem Zhler ermittelt werden, dann wird ein zweiter Zhler eingebaut. Dies ist notwendig wenn der Hauptwrmezhler nach einem Speicher montiert werden muss (Platzmangel) und eine zweite Wrmequelle den Speicher speist, beispielsweise eine solarthermische Anlage. In diesem Fall wird die Solarwrme von einem zweiten Zhler gemessen.

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Abbildung 2: FAWA Messschema fr der Langzeituntersuchung. Wrmezhler, Elektrozhler, Laufzeitenund Starts werden von den Anlagenbetreibern periodisch abgelesen.

3.2.2 KurzzeitmessungenDie Arbeitszahl (AZ) einer Wrmepumpe wird stark durch die quellen- und senkenseitigen Temperaturen beeinflusst. Diese sind deshalb wichtige Faktoren fr die Interpretation der ber Energiezhler ermittelten Arbeitszahlen. Weiter sind sie die Basis der Erwartungswertberechnung, die in Kap. 3.3.10 nher beschrieben wird. Whrend drei Monaten im Winter werden die Anlagen mit Datenloggern ausgemessen. Die Lnge dieses Intervalls wurde so festgelegt, dass ein mglichst weiter Bereich an Aussentemperaturen abgedeckt wird. Dadurch kann das Anlagenverhalten ziemlich umfassend beurteilt werden. Die begrenzte Speicherkapazitt der Logger fhrt dazu, dass jeweils Mittelwerte ber 30Minuten-Intervallen festgehalten werden. In der Praxis hat sich gezeigt, dass diese Auflsung vollkommen ausreichend ist. Es werden folgende Grssen erfasst (vgl. Abb. 4): Temperaturen: Es werden jeweils die 30-Minuten-Mittelwerte der folgenden drei Temperaturen ermittelt. Es sind dies die Aussen-, die Vorlauf- und die Sole- (Sole/Wasser-Anlagen) resp. die Rcklauftemperatur (Luft/Wasser-Anlagen). Die Unterscheidung wird gemacht, da bei den Luft/Wasser-Anlagen die Quellen- und Aussentemperatur identisch sind und so ein Kanal des Loggers fr die Rcklauftemperatur verwendet werden kann. Die Temperaturmittelung geschieht ereignisgesteuert, d.h. es werden nur jene Temperaturwerte fr die Mittelwertbildung im Messintervall verwendet, welche in jenem Teil des Intervalls gemessen wurden, in welchem der Kompressor in Betrieb war. Dadurch werden irrelevante Stillstandstemperaturen ausgeschlossen. Die Soletemperaturen sind whrend der Heizperiode nicht konstant. Wie sich gezeigt hat, korrelieren sie im Einzelfall gut mit der Aussentemperatur (Abb. 3), resp. der Sondenbelastung. Die Korrelation ist durch die bei tiefen Aussentemperaturen hhere Sondenentzugsleistung (hhere Heizenergiebedarf) bedingt. Um die Messdaten verschiedener Anlagen vergleichen zu knnen, wird auf Basis dieser Korrelation eine Normierung vorgenommen. Dazu

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wird bei allen Anlagen eine lineare Regression der Aussen- zur Soletemperatur durchgefhrt und der TSole-Wert bei einer Ta von 2C ermittelt (Abb. 3).Definition der normierten Soletemperatur30 25 Soletemperatur [C] 20 15 10 5 0 -5 -10 -10 -5 0 5 10 15 20 25

Aussentemperatur [C]

Abbildung 3: Soletemperatur in Abhngigkeit von der Ausstentemperatur. Dadie Soletemperatur gut mit der Aussentemperatur korreliert, kann mittels linearer Regression (rot) eine klimanormierte TSole definiert werden.

Laufzeit und Starts: Laufzeit und Starts des Kompressors werden ber einen digitalen Kanal des Loggers erhoben.

Abbildung 4: FAWA Messschema der ca. vierwchigen Loggermessungen, bei welcher Systemtemperaturenund Laufzeit sowie Starts der Wrmepumpe erfasst werden.

Heute liegen von knapp 120 Anlagen solche Messungen ber rund drei Monaten vor.

SpezialflleBei einigen wenigen Anlagen wurde neben den oben erwhnten Grssen auch die Energien (Elektroverbrauch und Wrmeproduktion) aufgezeichnet (Abb. 5). Dabei wurde eine Intervalllnge 5 oder 10-Minuten gewhlt.

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Abbildung 5: FAWA Messschema fr die ca. vierwchige Loggermessung zur Erfassung von Energiestrmen und Systemtemperaturen.

DatenloggerFr die einfachen Loggermessungen (Kurzzeitmessungen) kommen 4-Kanallogger (3 x analog, 1 x digital) der Firma Elpro (Typ Hotbox BE3, Auflsung 0.1 K) zum Einsatz. Die analogen Kanle werden fr die Temperaturmessung mittels Thermoelementen (Typ NTC) verwendet und der digitale Kanal erfasst Laufzeit und Starts des Kompressors. Der Messfehler der Thermoelemente liegt bei den in FAWA auftretenden Temperaturen (-10 bis 65C) bei 0.2 K (Elpro, pers. Kom.). Die aufwendigeren Spezialmessungen wurden mit Loggern der Firma Datataker des Typs DT50 und DT100 durchgefhrt. Die Temperaturen wurden mit PT100 (Klasse A) gemessen, deren Messfehler errechnet sich mit der Formel:T = (0.150 + 0.002 )

(1)

Daraus folgt bei 0C ein Fehler von 0.15 K, der kontinuierlich ansteigt und bei 65C einen Wert von 0.28 K erreicht.

3.2.3 Anlagen mit ErdwrmesondenIm Laufe von FAWA hat sich gezeigt, dass die Streuung der Jahresarbeitszahlen bei Sole/WasserAnlagen deutlich grsser ist als bei Luft/Wasser-Anlagen. Ursache dafr kann eigentlich nur die nicht einheitliche Qualitt der Erdwrmesondensysteme (Sonde, Hinterfllung, umgebendes Erdreich) sein. Aus diesem Grund wurden Anlagen mit Erdwrmesonden genauer untersucht. Ziel der Arbeiten war es, Korrelationen zwischen den Sondeneigenschaften, Soletemperaturen und Jahresarbeitszahlen zu finden.

FAWA-ErdwrmesondenanlagenIn einem ersten Schritt werden die in FAWA gemessenen Betriebsdaten (JAZ, Soletemperatur) in Beziehung zu den erhobenen Erdwrmesondendaten (z.B. Erdwrmesondenlnge,) gesetzt und auf Korrelationen untersucht. Dazu wurden alle verfgbaren Bohrprotokolle und Bohrprofile der

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FAWA-Anlagen beschafft. Diese Unterlagen enthalten Informationen zu Bohrunternehmen, Bohrmethode, Geologie, Sondentyp und -hinterfllung.Tabelle 1: Verwendete Wrmeleitfhigkeiten von Untergrundmaterialien. a b Quelle: BFE 1998 [4] , Hellstrm & Sanner [5].UntergrundTrockenes Lockergesteina Festgestein oder wassergesttigtes Lockergesteina Festgestein mit hoher Wrmeleitfhigkeita Kies, Sand trockenb Kies, Sand wasserfhrendb Ton, Lehm feuchtb

WLF[W/mK] 1.00 2.25 4.00 0.40 1.80 1.60 2.80 2.30 3.40 1.70 2.70

Kalkstein massivb Sandsteinb Granitb

Basaltb Gneisb Mergelb

2.30 2.80

Nagelfluhb

Aus den Bohrprofilen wurde fr jede Anlage die mittlere Wrmeleitfhigkeit des ungestrten Erdreichs im Sondenbereich berechnet. Dazu wurden die im Protokoll ausgewiesenen Untergrundtypen nach ihrer Mchtigkeit und Wrmeleitfhigkeit (Tab. 1) gewichtet.

Simulation der SoletemperaturenIm zweiten Schritt wurden bei allen gengend dokumentierten Anlagen die SoletemperaturMessdaten mit den Resultaten einer Simulation mit dem Programm EWS [6] verglichen. Die Ermittlung des TSole-Messwertes ist in Kap. 3.2.2 beschrieben. Fr die Simulation wurden die bekannten Anlagenkenngrssen (i.b. Sondenbeschaffenheit, Klteleistung der WP, Geologie, Hinterfllung) und die Betriebskenngrssen (i.b. jhrliche Sondenentzugsenergie, mittlere Jahresaussentemperatur) verwendet. Die Entzugsprofile (Stundenmittel) sind von den untersuchten Anlagen nicht bekannt, es wurde deshalb ein Standard-Jahresgang mit DOE-2 berechnet. DOE-2 ist ein Gebudesimulationsprogramm, dessen Entwicklung massgeblich von der US Energiebehrde untersttzt wurde. Fnf ausgewhlte Anlagen, welche den gesamten in FAWA gemessenen Bereich an Soletemperaturen (TSole) reprsentieren, wurden im Sinne von Fallstudien genauer untersucht. Dazu wurden allfllige Abweichungen zwischen den erwhnten Simulationsresultaten und den Messwerten durch Variation der Eigenschaften von Hinterfllung und umgebendem Erdreich zu kompensieren versucht.

3.2.4 NutzerbefragungEine erste Befragung wurde durch das Marketingbro MKR Consulting AG, Bern in Zusammenarbeit mit Polyquest AG, Bern durchgefhrt. Bei dieser Befragung ging es um die Feststellung des Stellenwertes der Wrmepumpe im gesamten Heizungsmarkt. Das Zielpublikum setzte sich zusammen aus Wrmepumpenbetreibern in Neu- und Umbauten. Fr die Erarbeitung der bentigten qualitativen Informationen fanden im Jahr 1996 zwei Gruppendiskussionen mit je 18 Teilnehmern whrend je zwei Stunden statt.

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Aufgrund der Auswertungen der vorerwhnten Gruppendiskussionen wurde ein Fragebogen fr eine reprsentative Telefonbefragung ausgearbeitet. Der Stichprobenumfang fr diese reprsentative Befragung betrgt 218 Interviews. 113 Befragungen wurden mit Personen durchgefhrt, die eine Wrmepumpe gleichzeitig mit dem Neubau eines Hauses installiert hatten. 105 Befragungen wurden mit Personen durchgefhrt, die ihr altes Heizsystem im Rahmen einer Sanierung ersetzten. Diese Befragung erfolgte im Jahre 1997. Einige Jahre spter wurde im Zusammenhang mit der Kontrolle der Messeinrichtungen (insbesondere der Wrmezhler) den Besitzern der Anlagen gleichzeitig einige Fragen im Bezug auf die eigene Wrmepumpenanlage, deren Bedienung, Funktion und Leistung sowie ber die Zufriedenheit gestellt. Zu 9 Fragen waren 2 3 gezielte vorgegebene Kurzantworten mglich. Bei der 10. Frage ging es um allfllige Strungen und deren Behebung. Die ausgewhlten Anlagenbesitzer waren aufgrund einer Kontrollaktion der eingesetzten Wrmezhler ausgewhlt worden, wobei nur die lteren Anlagen (Anlagenbaujahr < 1998) bercksichtigt worden sind.

3.3 Definitionen und Modelle3.3.1 HeizperiodeDie in FAWA verwendete Heizperiode beginnt am 1. Oktober und endet am 30. April. Dieser Zeitraum wurde gewhlt, da einerseits der berwiegende Teil des Raumwrmebezugs abgedeckt wird und andererseits nur in seltenen Fllen Perioden ohne Raumwrmebezug hinein fallen. Damit kann weitgehend ausgeschlossen werden, dass darin Perioden (Datenpunkte) auftreten, welche von Hilfsenergieverbruchen (Abgabepumpe) und Speicherverlusten dominiert werden (vgl. Abb. 7). Dieses wrde die Berechnung der klimanormierte JAZ (vgl. Kap. 3.3.5) beeintrchtigen.

3.3.2 AussentemperaturDie mittlere Aussentemperatur zwischen zwei Ablesungen der Bauherrschaft wird auf Basis der Daten der nchstgelegenen Meteostation berechnet. Dabei wird eine Korrektur bezglich der Hhenunterschiede zwischen Objekt und Meteostation vorgenommen. Es wird mit einer Hhenstufe von -0.5 K pro 100 m gerechnet.

3.3.3 Arbeits- und JahresarbeitszahlDie Arbeitszahl (AZ) ist das Verhltnis aus produzierter Wrme- und aufgenommener Strommenge ber ein bestimmtes Zeitintervall. Wird dieses Verhltnis ber ein ganzes Jahr gebildet, nennt sich die resultierende Grsse Jahresarbeitszahl (JAZ). In FAWA wurden drei Systemgrenzen definiert, entsprechend resultieren drei AZ resp. JAZ (vgl. Abb. 6): JAZ 1 Verhltnis zwischen der Wrmemenge ab WP, ohne Speicherverluste (sofern vorhanden) und dem WP spezifischen Elektrizittsbedarf, inklusive der Hilfsaggregate wie Umwlzpumpen und Carterheizung. Senkenseitig wird nur der Stromverbrauch zur berwindung des Druckabfalls ber dem Verflssiger einbezogen (Volumenstrom gemss Messung Wrmezhler). Konkret wird bei Anlagen mit parallel geschaltetem Speicher der Stromverbrauch der Ladepumpe voll eingerechnet. Bei den restlichen Anlagen wird der Pumpenstromverbrauch des Verflssigers ber dessen

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Druckverlustkennlinie, den realen Volumenstrom und einen angenommenen Pumpenwirkungsgrad (15%) abgeschtzt. JAZ 2 Verhltnis zwischen der Wrmemenge ab WP resp. ab Speicher, sofern vorhanden und dem WP spezifischen Elektrizittsbedarf, inklusive der Hilfsaggregate wie Umwlzpumpen (senkenseitig nur Druckabfall ber Verflssiger) und Carterheizung. Bei speicherlosen Anlagen entspricht also die JAZ 1 der JAZ 2. Verhltnis zwischen der Wrmemenge ab WP resp. ab Speicher, sofern vorhanden, inklusive elektrischer Zusatzheizungen (fr Raumheizung und WW, Letzteres nur, wenn WW in WP-Anlage eingebunden) und dem WP spezifischen Elektrizittsbedarf, inklusive aller Hilfsaggregate wie Umwlzpumpen (total) und Carterheizung.

JAZ 3

Die heutigen Auswertungen basieren auf der JAZ 2. Einzig bei den Erwartungswerten (Kap. 3.4.4) liegt die Systemgrenze der JAZ 1 zugrunde.

Abbildung 6: In FAWA verwendete Systemgrenzen zur Berechnung der JAZ 1, 2 und 3.In den allermeisten Fllen wird die JAZ 2 verwendet, welche allfllige Speicherverluste bercksichtigt. Bei Anlagen ohne Speicher wird der abgabeseitige Umwlzpumpenstromverbrauch gemss Druckverlust ber dem Verflssiger in JAZ 1 und JAZ 2 bercksichtigt.

3.3.4 Fehlerrechnung fr Arbeits- und JahresarbeitszahlenDie wichtigste Messgrsse in FAWA ist die Arbeitszahl der Anlagen. Sie wird mittels Wrme- und Elektromessung ermittelt (Gl. 2). Die dazu verwendeten Messgerte sind mit einer bestimmten Messunsicherheit behaftet. Bei der Wrmemessung setzt sich diese aus der Unsicherheit bei der Temperaturdifferenz- und der Durchflussmessung zusammen. Mediumsdichte und Wrmekapazitt werden nicht in die Fehlerrechnung einbezogen.

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& AZ = f (m, dT , Pel ) f f f & AZ = m m + dT dT + Pel Pel & & m: dT: Pel:2 2 2

(2)

(3)

Massenstrom ber Wrmezhler Temperaturdifferenz zw. Vor- und Rcklauf Elektrische Leistung ber Elektrozhler

In den folgenden Tabellen sind Fehlerrechnungen (Gl. 3) bezglich der Arbeitszahl fr drei verschiedene Flle dargestellt: a) Messunsicherheit von Wrme- und Elektrozhler gemss Herstellerangaben (Tab. 2), b) Wrmezhlermessunsicherheit gemss Kalibriermessungen an neuen Zhlern und Herstellerangaben bei Elektrozhlern (Tab. 4), c) Wrmezhlermessunsicherheit gemss Kalibriermessungen an gebrauchten Zhlern und Herstellerangaben bei Elektrozhlern (Tab. 5). Bei den Berechnungen wurde mit Verhltnissen bezglich Temperaturspreizung, Volumenstrom und elektrischer Leistung gerechnet, wie sie typischerweise in FAWA angetroffen werden. Zur Ableitung des maximalen Fehlers aus den Kalibriermessungen wurde angenommen, dass dieser 95% der Messwerte umfassen soll. Daraus ergibt sich, dass der maximale Fehler der zweifachen Standardabweichung (SD) der Verteilung der Messwertefehler entspricht. Im letzten Abschnitt der Tabellen sind jeweils noch die Vertrauensintervalle (CI) dargestellt, die sich aus der Messunsicherheit fr Messungen an Anlagengruppen verschiedenen Umfangs ergeben. Diese Daten machen deutlich, dass die Messunsicherheit nur einen sehr bescheidenen Anteil an der im Feld festgestellten Streuung (Kap. 5) hat.Tabelle 2: Fehlerrechnung auf Basis von Herstellerangaben. Die so ermittelte Messunsicherheit bezglich der JAZ liegt bei nur 2.2%.

Messpunkt Fehler (Komponenten) Tvl [C] Trl [C] absolut [K] relativ [%] 45 35 0.03 0.5 Messpunkt Fehler Vol.strom [m3/h] relativ [%] Durchfluss 1.3 2.0 Elektromessung Messpunkt Fehler Ulrich Matter, Electrex Pel [kW] relativ [%] Elektroenergie 5.0 0.50 Arbeitszahl (AZ) Messpunkt [-] 3.0 Total Vertrauensintervall (CI) Anlagen [Stk.] Annahme: 5 Max.Fehler = 2*SD 10 50

Herstellerangaben Wrmemessung Neovac, 2WR5 Temperaturdifferenz

Totaler Fehler absolut [K] relativ [%] 0.08 0.80 Totaler Fehler absolut [m3/h] relativ [%] 0.03 2.00 Totaler Fehler absolut [kW] relativ [%] 0.03 0.50 Fehlerrechnung (AZ) absolut [-] relativ [%] 0.07 2.2 CI [%] 0.97 0.69 0.31

AZ absolut [-] 0.02 AZ absolut [-] 0.06 AZ absolut [-] -0.02

Wie die Resultate zeigen, liegt die Unsicherheit bezglich der Arbeitszahl bei 2.2% (Herstellerangaben). Wird beim Elektrozhler anstatt 0.5% (moderner Induktionszhler) mit 2.0% (Ferraris-Induktionszhler) gerechnet, dann erhht sich die Gesamtmessunsicherheit von 2.2 auf 2.9%.

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Tabelle 3: Fehlerrechnung auf Basis von Herstellerangaben, jedoch wurde der Fehler der Temperaturfhler auf 0.3 K gesetzt (worst case), was einer Messunsicherheit der Temperaturdifferenz von gut 0.4 K entspricht. Die so ermittelte Messunsicherheit bezglich JAZ steigt nun auf 5.2%.Herstellerangaben mit realistischerem absolutem Temperaturmessfehler eines Fhlers von 0.3 K Fehler (Komponenten) Wrmemessung Messpunkt Totaler Fehler Neovac, 2WR5 Tvl [C] Trl [C] absolut [K] relativ [%] absolut [K] relativ [%] Temperaturdifferenz 45 35 0.4 0.5 0.5 4.74 Messpunkt Fehler Totaler Fehler Vol.strom [m3/h] relativ [%] absolut [m3/h] relativ [%] Durchfluss 1.3 2.0 0.03 2.00 Elektromessung Messpunkt Fehler Totaler Fehler Ulrich Matter, Electrex Pel [kW] relativ [%] absolut [kW] relativ [%] Elektroenergie 5.0 0.50 0.03 0.50 Arbeitszahl (AZ) Messpunkt [-] Fehlerrechnung (AZ) absolut [-] relativ [%] 3.0 Total 0.16 5.2 Vertrauensintervall (CI) Anlagen [Stk.] CI [%] Annahme: 5 2.27 Max.Fehler = 2*SD 10 1.60 50 0.72 AZ absolut [-] 0.14 AZ absolut [-] 0.06 AZ absolut [-] -0.02

Wird bei den Wrmezhlern mit den Kalibriermessungen gearbeitet, so ergibt sich eine Unsicherheit von 1.0% bis 2.9% (neue resp. gebrauchte Zhler). Diese Werte liegen deutlich niedriger, als die Annahme eines Temperaturmessfehlers von 0.3 K (Tab. 3), welche eine Messunsicherheit von 5.2% ergibt. Dieser Fall bercksichtigt den nicht optimalen Einbau der Temperaturfhler, d.h. diese befinden sich an einer Messstelle im Rohr, an welcher sie nicht die mittlere Mediumstemperatur erfassen. Diese Situation kann als worst case bezeichnet werden.Tabelle 4: Fehlerrechnung auf Basis von Messunsicherheiten gemss Kalibriermessungen bei neuen Wrmezhlern und Herstellerangaben bei Elektrozhlern.

Kalibrierungsmessdaten (IWB): Neue Zhler Wrmemessung Messpunkt Max.Fehler = 2*SD Tvl [C] Trl [C] Temperaturdifferenz 50 35 Messpunkt Vol.strom [m3/h] Durchfluss 1.6 Elektromessung Messpunkt Fehler Ulrich Matter, Electrex Pel [kW] Elektroenergie 9.2 Arbeitszahl (AZ) Messpunkt [-] 3.0 Total Vertrauensintervall (CI) Anlagen [Stk.] Annahme: 5 Max.Fehler = 2*SD 10 50

SD Totaler Fehler relativ [%] absolut [K] relativ [%] 0.19 0.057 0.38 SD Totaler Fehler relativ [%] absolut [m3/h] relativ [%] 0.4 0.01 0.80 Totaler Fehler relativ [%] absolut [kW] relativ [%] 0.50 0.05 0.50 Fehlerrechnung (AZ) absolut [-] relativ [%] 0.03 1.0 CI [%] 0.45 0.32 0.14


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Tabelle 5: Fehlerrechnung auf Basis von Messunsicherheiten gemss Kalibriermessungen bei neuen Wrmezhlern und Herstellerangaben bei Elektrozhlern.

Kalibrierungsmessdaten (IWB): Alte Zhler Annahme: Messpunkt Max.Fehler = 2*SD Tvl [C] Trl [C] Temperaturdifferenz 50 35 Messpunkt Vol.strom [m3/h] Durchfluss 1.6 Elektromessung Messpunkt Fehler Ulrich Matter, Electrex Pel [kW] Elektroenergie 9.2 Arbeitszahl (AZ) Messpunkt [-] 3.0 Total Vertrauensintervall (CI) Anlagen [Stk.] Annahme: 5 Max.Fehler = 2*SD 10 50

SD Totaler Fehler relativ [%] absolut [K] relativ [%] 0.9 0.27 1.80 SD Totaler Fehler relativ [%] absolut [m3/h] relativ [%] 1.12 0.04 2.24 Totaler Fehler relativ [%] absolut [kW] relativ [%] 0.50 0.05 0.50 Fehlerrechnung (AZ) absolut [-] relativ [%] 0.09 2.9 CI [%] 1.28 0.90 0.40


3.3.5 Klimanormierte JAZ (nJAZ)Normierungen dienen dazu, bekannte Einflsse von bestimmten Parametern aus Messdaten zu eliminieren. Damit erreicht man, dass Effekte von nicht normierten Grssen strker in Erscheinung treten und somit besser erkannt werden knnen. Bei der Klimanormierung der JAZ geht es um die Eliminierung des Einflusses von unterschiedlichen Klimabedingungen (Aussentemperaturen) an verschiedenen Standorten und ber verschiedene Heizperioden aus der JAZ. Eine Umrechnung auf Normklimabedingungen ist relativ kompliziert, weshalb das nachfolgend beschriebene Verfahren gewhlt wurde. Wie erwhnt, werden von den Anlagenbesitzern die installierten Zhler periodisch abgelesen. Aus den Energiedifferenzen dieser Zhlerablesewerte knnen nun Arbeitszahlen fr die Perioden zwischen zwei Ablesungen berechnet werden. Diese Arbeitszahlen werden dann gegenber den mittleren Aussentemperaturen in den entsprechenden Perioden aufgetragen, mit welchen sie praktisch linear korrelieren.

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Definition der klimanormierten JAZ (nJAZ)6.0 5.0 Arbeitszahl [-] 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 -10 -5 0 5 10 15 20 25

Ausserhalb der FAWA-Heizperiode


Abbildung 7: Die Arbeitszahlen (AZ), ermittelt aus Zhlerablesungen in derHeizperiode (Intervall: 1 bis 2 Wochen), korrelieren sehr gut mit der Aussentemperatur. Die nJAZ entspricht dem Regressionswert bei einer Aussentemperatur (Ta) von 3C.

Um nun den Klimaeffekt zu eliminieren, wird eine Regressionsgerade in Werte einer Heizperiode gelegt. Die nJAZ 2 ist nun die AZ 2 bei einer Aussentemperatur von 3C. Diese Temperatur entspricht dem Mittelwert der wrmebedarfsgewichteten Aussentemperatur (Gl. 4) ber allen Anlagen.

a,Qgew =

n =1

x

a,n

* Qnn

(4)

Qn =1

x

a,Qgew : Mit dem Wrmebezug gewichtete Aussentemperatur einer Anlage; a,n : Aussentemperatur im n-ten Intervall;Qn :Wrmebezug im n-ten Intervall.

Wie erwhnt werden hier jeweils nur Ablesedaten aus der betreffenden FAWA-Heizperiode verwendet (Oktober bis April). Der Mittelwert der normierten nJAZ 2 aller Anlagen unterscheidet sich gegenber der nicht normierten JAZ 2 um -3% (CI 1%).

3.3.6 JAZ Anlagenpark SchweizFAWA schtzt den Mittelwert der mittleren JAZ aller Schweizerischen Anlagen eines bestimmten Jahrgangs wie folgt:JAZCH , j = (JAZ L / W , j M L / W , j ) + (JAZ S / W , j M S / W , j )JAZCH;j: JAZL/W;j:

(5)

Geschtzter JAZ-Mittelwert der im Jahr j in der Schweiz installierten Anlagen. Geschtzte JAZ-Mittelwerte der im Jahr j in der Schweiz installierten L/W- resp. SWAnlagen. Diese entsprechen dem aus FAWA resultierenden Mittelwert der jeweiligen Kategorie.

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ML/W;j:

Schweizerischer Marktanteil der L/W- resp. SW-Anlagen im Jahr j. Hier wird mit ML/W;j + MS/W;j = 1.0 gearbeitet.

Die Verkaufsstatistik gibt keine Auskunft ber die Verteilung der Heizleistung innerhalb der hier untersuchten Klasse mit einer thermischen Leistung von < 20 kW. Aus diesem Grund kann diese Grsse nicht bei der Gewichtung einbezogen werden.

WP-Verkaufsstatistik Schweiz (< 20 kWth)9'000 8'000 7'000Anzahl WP [Stk.] L/W S/W W/W Total

6'000 5'000 4'000 3'000 2'000 1'000 0 1994

1996

1998Jahr

2000

2002

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Abbildung 8: Verkaufszahlen von Wrmepumpen mit einer thermischenLeistung von < 20 kW in der Schweiz (Quelle: Frdergemeinschaft Wrmepumpen Schweiz).

Mit der gleichen Methode werden die COP-Prfresultate des WPZ behandelt (vgl. Kap. 5.2.2).

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3.3.7 Auslastung bei AuslegebedingungenAls Auslastung wird in FAWA das Verhltnis aus realer zu maximal mglicher Laufzeit (24 h pro Tag) bezeichnet. Der in FAWA verwendete Wert fr die Auslastung bei Auslegebedingungen einer WP-Anlage wird ermittelt, indem eine Regressionsgerade durch die Auslastungswerte der einzelnen Ableseintervalle gelegt wird.

Auslastung bei Auslegebedingungen1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -10 -5 0 5 10 15 20 25

Auslastung [-]


Abbildung 9: Die Auslastung korreliert verstndlicherweise sehr gut mit der Aussentemperatur. So kann die Auslastung als Regressionswerts der Auslastung bei einer Aussentemperatur von 8C ermittelt werden.

Durch Ermitteln des Regressionswertes bei der Auslegeaussentemperatur (meist -8C) erhlt man die gesuchte Auslegeauslastung. Diese bezieht sich wie erwhnt auf eine Laufzeit von 24 h pro Tag, d.h. mgliche Sperrzeiten werden nicht bercksichtigt.

3.3.8 SpeicherverlustmodellUm die Energiemengen, resp. Arbeitszahlen fr die verschiedenen Systemgrenzen zu berechnen, wird ein Modell fr die Abschtzung der Speicherverlustleistung verwendet. Es wird davon ausgegangen, dass der Speicher ein Zylinder ist mit:Hhe (h) = 3* Durchmesser (d)

(6)

daraus folgt: 4 *V A = 2 * * 3 3* 2

(7)

PS = T *

d

* A + ( T * n * p A )

(8)

A: V: PS: T: : d:

Oberflche des Speichers Speichervolumen Speicherverlustleistung Temperaturdifferenz zw. Speicher und Umgebung Wrmeleitfhigkeit des Dmmmaterials Dmmstrke

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n: Anzahl Anschlsse am Speicher pA: Verlustleistung pro Anschluss und Kelvin Temperaturdifferenz Wasser/UmgebungTabelle 6: Annahmen fr die Berechnung von Verlusten technischer Speicher.Mittlere Umgebungstemperatur (Keller) Lambda der Dmmung () Verlustleistung pro Anschluss* (pA) 17C 35 mW/(mK) 0.125 W/K

*Dieser Wert wurde in Anlehnung an [9] von FAWA definiert. Unter Annahme, dass im Bewusstsein der Problematik seit 1982 Anschlsse besser angeordnet und isoliert werden.

Die Speichertemperatur wird aus der Heizkurve ermittelt (Messung oder Reglereinstellung). Ist keine der beiden Quellen verfgbar, dann werden die in Tab. 7 dargestellten Werte verwendet. Zur Abschtzung des maximal mglichen Fehlers, der durch die Annahme einer unbekannten Speichertemperatur eintreten kann, wurde bei einer durchschnittlichen Anlage (Leistungsbedarf des Objekts 15 kW, Speicherinhalt 600 l, 10 cm PU-Dmmung) der Verlust bei einer mittleren Speichertemperatur von 30C resp. 55C berechnet. Es hat sich gezeigt, dass der Speicherverlust bei 30C auf 0.5% bezglich der von der Wrmepumpe abgegebenen Wrmemenge zu stehen kommt, und bei 55% auf 1.5%. Die aus den beiden Fllen resultierende JAZ 2 unterscheidet sich also um 1%, was eine sicherlich akzeptable Unsicherheit darstellt.Tabelle 7: Speichertemperaturen (Annahmen) fr die Velustberechnung. Werden nur verwendet, wenn keine Mess- oder Planungsdaten vorliegen.Speichertemperatur Neubau Sanierung Seriespeicher im Vorlauf 40C 45C Seriespeicher im Rcklauf 32C 35C Parallelspeicher 36C 40C

3.3.9 AbtaukorrekturBei Luft/Wasser-Systemen, die ber Prozessumkehr abtauen, wird dem System beim Abtauen Wrme entzogen, d.h. der Verflssiger wird zum Verdampfer und umgekehrt. In den meisten dieser Flle muss eine rechnerische Korrektur der vom Wrmezhler gemessenen Energiemenge vorgenommen werden, da die in FAWA verwendeten Wrmezhler negative Temperaturdifferenzen nicht erfassen. Das dafr verwendete Modell geht davon aus, dass im Aussentemperaturbereich zwischen -10C bis +10C abgetaut wird mit dem Maximum bei -1C (vgl. Abb. 10). Bei diesem Maximum wird angenommen, dass der Anteil des Energieumsatzes der Wrmepumpe (Summe aus den Betrgen fr Heiz- und Abtauenergie) fr das Abtauen bei 7% liegt und linear zu den Endpunkten (-10, resp. +10C) abfllt.

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Anteil der Wrme fr die Umkehrabtauung am gesamten Wrmeenergieumsatz der WP10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 -15 -10 -5 0 5 10 15

Anteil [%]


Abbildung 10: In FAWA verwendeter Anteil der Abtauenergie (Prozessumkehr) amgesamten Energieumsatz der WP zur Korrektur der falschen Wrmezhlerdaten.

3.3.10 VerfgbarkeitEine bestimmende Grsse fr die Zufriedenheit von Wrmepumpenbesitzern ist die Zuverlssigkeit von WP-Anlagen. Aus diesem Grund wird in FAWA auch die Verfgbarkeit der Anlagen erfasst. Die Anlagenbesitzer fhren dazu Strungsprotokolle, auf welchen folgende Informationen erfasst werden: Datum und Zeit des Strungseintritts, resp. dessen Feststellung Strungstyp (vgl. unten) Dauer der Strung bis zur Behebung Behebung der Strung durch Betreiber/-in oder WP-Service

Das Erfassungsprotokoll unterscheidet zwischen folgenden Strungstypen:Tabelle 8: Strungstypen gemss Erfassungsprotokoll.Strungstypen Hochdruck Niederdruck Wassermangel Verdampfer Regelung Vereisung Verdampfer Verdichter Kltemittelverlust Verschmutzter Verdampfer Verschmutzter Verflssiger Umwlzpumpe Wassermangel Verflssiger unbekannt

Aus der Strungsdauer wird die Verfgbarkeit berechnet. Diese stellt das Verhltnis aus realer Laufzeit der Wrmepumpe und der in dieser Zeit eigentlich notwendigen Laufzeit dar.

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VWP =

t WP t WP + t SVWP: Verfgbarkeit der Wrmepumpenanlage tWP: Laufzeit der Wrmepumpe (Aggregat) tS: Zeit, in der eine Strung vorlag

(9)

Wie Gl. 9 zeigt, wird zur Berechung der theoretisch notwendigen Laufzeit, die gesamte Strungszeit zur realen Laufzeit addiert. Da in dieser Zeit aber wohl hufig kein dauernder Wrmebedarf besteht, wird die Verfgbarkeit unterschtzt. D.h. die so berechnete Verfgbarkeit ist tiefer als der tatschliche Wert.

3.4 Normierung mit Modellwerten3.4.1 EinfhrungDie energetische Effizienz von Wrmepumpenanlagen wird insbesondere durch die Eigenschaften der Wrmepumpe an sich (Gtegrad) und die quellen- und senkenseitigen Temperaturen bestimmt. Bei den von FAWA gemessenen Anlagen variieren alle drei Faktoren ber einen recht weiten Bereich. Aus diesem Grund ist entsprechend die Streuung der Jahresarbeitszahlen ebenfalls gross. Werden diese bekannten Einflsse aus den gemessenen Arbeits- resp. Jahresarbeitszahlen eliminiert, so knnen die resultierenden Daten auf vermutete Zusammenhnge mit anderen Einflussgrssen (z.B. Taktverhalten) untersucht werden. Diese Untersuchungen wren zwar grundstzlich auch mit den Originaldaten mglich, wrden aber eben durch die Variabilitt der eingangs genannten Faktoren erschwert. Das Vorgehen, um die Einflsse dieser Faktoren zu eliminieren, basiert auf einem Vergleich der gemessenen Arbeits- oder Jahresarbeitszahl einer Anlage mit dem entsprechenden Erwartungswert (EW). Dieser EW basiert auf einer modellbasierten Berechnung der AZ- resp. JAZ, bei welcher die zu eliminierenden Faktoren (WP-Aggregat und Temperaturen) abgebildet werden. Als Grundlage fr diese Modellrechnungen dienen Prfstandsmessungen des jeweiligen WPAggregats (vgl. Kap. 3.4.2). Eingabegrssen in diese Modellrechnungen sind also die Systemtemperaturen, Ausgabegrssen entsprechend Wrmeleistung und elektrische Aufnahmeleistung, respektive deren Verhltnis (COP). Diese Ausgabegrssen (EW) knnen mit den entsprechenden Messwerten (MW) verglichen werden. Es kann nun angenommen werden, dass die so ermittelten Abweichungen zwischen Mess- und Erwartungswerten durch die nicht im Modell bercksichtigten Parameter verursacht werden. Nicht bercksichtigt bedeutet, dass diese Parameter keine Modellvariabeln sind oder bei allen Anlagen mit dem gleichen Wert eingesetzt wurden.

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MODELL

Auf Basis von Prfstandsmessungen (WPZ oder Hersteller)Laufzeit des Kompressors Quellentemperatur Senkentemperatur PEl. und PQ Senke Quelle ERWARTUNGSWERTE - Stromverbrauch - Wrmeproduktion Erwartete AZ

Ursachenanalyse

DIFFERENZ

Wrmezhler Elektrozhler

MESSWERTE - Stromverbrauch - Wrmeproduktion Gemessene AZ

Abbildung 11: Auf Basis von gemessenen Quellen- und Senkentemperaturen sowie der WP-Laufzeit werden ber das Modelldie Erwartungswerte von Stromverbrauch und Wrmeproduktion berechnet. Diese knnen dann mit den mittels Wrme- und Elektrozhlern gemessenen Werten verglichen werden.

Die Erwartungswert/Messwert-Vergleiche (Normierungen) geschehen einerseits auf dem JAZ- und andererseits auf dem AZ-Niveau. JAZ: Bei der JAZ-Normierung wird die gemessene JAZ einer Anlage mit dem entsprechenden Modellwert verglichen, welcher mit Jahresmitteltemperaturen berechnet wurde. Dabei geht es um die Analyse von Effekten der Anlagenkomponenten (z.B. Regler) auf die Systemtemperaturen und somit auf die JAZ (Kap. 3.4.3). AZ: Hier geht es um die Frage, ob und wie sich die energetische Effizienz von Wrmepumpen im Feld von Prfstandsmessungen unterscheiden. Die gemessene AZ wird hier mit einem Modellwert verglichen, welcher mit in der betrachteten Periode (zwei bis drei Monate) exakt erfassten Systemtemperaturen ermittelt wurde (Kap. 3.4.4).

3.4.2 WP-ModellDie Abhngigkeit der Wrmeleistung und der aufgenommenen elektrischen Leistung von Wrmepumpen kann durch die Interpolationsgleichungen 10 und 11 hinreichend genau errechnet werden. Die je 4 Koeffizienten dieser Gleichungen werden durch lineare Regression aus Prfstandsmessungen (WPZ-Daten, wenn nicht vorhanden Hersteller-Daten) bestimmt. Dabei werden die Regressionskoeffizienten zunchst fr Wertepaare gemss der Tabelle 9 mit konstanten Quellentemperaturen ermittelt. Fr S/W-Anlagen sind dies beispielsweise die Wertepaare fr 5/35 und 5/50, 0/35 und 0/50 sowie 5/35 und 5/50. Dann wird eine zweite Regression fr Wertepaare mit konstanten Senkentemperaturen durchgefhrt. In der nachfolgenden Tabelle sind die verwendeten Sttzwerte (Temperatur von Quelle/Senke) aufgetragen.

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Tabelle 9: Sttzwerte fr die Modellbildung von Heizleistung und elektrischer Aufnahmeleistung bei verschiedenen Temperaturverhltnissen (Quelle/Senke).Typ L/W S/W W/W 1 -7/35 -5/35 10/35 2 -7/50 -5/50 10/50 3 2/35 0/35 15/35 4 2/50 0/50 15/50 5 7/35 5/35 6 7/50 5/50 -

Das so erhaltene Modell hat fr Wrmeleistung und elektrische Aufnahmeleistung folgende Form:& QModell = (aw + bw * q ) + (cw + d w * q ) s & E Modell = ( a e + be * q ) + ( c e + d e * q ) s& QModell : & : EModell

(10) (11)

Modellwert der Wrmeleistung Modellwert der elektrischen Aufnahmeleistung Aggregatsspezifische Wrmeleistungs-Konstanten Aggregatsspezifische Elektroleistungs-Konstanten Quellentemperatur (Mittelwert im betrachteten Intervall) Senkentemperatur (dito)

aw-dw: ae-de:

q: s:

Es entsteht so also ein Modell, welches auf der Metaebene linear ist (y = a + bx). Achsenabschnitt (a) und Steigung (b) sind jeweils wieder lineare Funktionen mit der Quellentemperatur als Variablen. Entsprechend ergibt sich fr die Modellwerte der Arbeits- resp. Jahresarbeitszahl:AZ Modell = & QModell * LZ AZ & EModell

(12)

JAZ Modell =

& QModell * LZ JAZ & EModell

(12) (13)

AZModell und JAZModell unterscheiden sich nur durch unterschiedliche Laufzeiten (LZ). Bei der JAZ entspricht die Laufzeit der Jahreslaufzeit, bei der AZModell hingegen einer frei whlbaren Periode. Die Modelle reproduzieren die Sttzwerte, also die von WPZ oder Herstellern gelieferten Daten, mit mehr als ausreichender Genauigkeit. Die Standardabweichung der Differenzen aus Modellund Sttzwerten liegt bei 1.5% und keiner der Modellwerte weicht mehr als 4% vom entsprechenden Sttzwert ab. Diese Angaben gelten nicht fr die L/W-Sttzwerte mit Quellentemperatur 2C (2/35 und 2/50), hier betrgt die Standardabweichung 5%. Grund ist, dass die Modellwerte durch die Linearisierung im Aussentemperaturbereich von L/W-Aggregaten, in welchem Abtauung stattfindet (nichtlinearer Verlauf), geglttet werden. Die Modelle haben, wie bereits erwhnt, zwei Anwendungsbereiche (Kap. 3.4.3 und 3.4.4). Beim Ersten sind die verwendeten Eingabegrssen Jahresmitteltemperaturen. Die Quellentemperatur bei L/W-Anlagen liegt somit im Bereich von 1 bis 4C, also genau im Bereich mit der strksten Nichtlinearitt der Sttzwerte. Diese Nichtlinearitt wird durch die Abtauung verursacht. Da aber ein Jahresmittelwert gesucht ist, fhrt die Linearisierung tendenziell zum gewnschten Effekt.

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Wrde das Modell die Sttzwerte exakt abbilden, so msste zustzlich mit einer Hufigkeitsverteilung der Quellentemperatur gearbeitet werden. An dieser Stelle soll ergnzend auf die von M. Wetter (FH Horw) entwickelte Handrechenmethode zur Abschtzung der Jahresarbeitszahl hingewiesen werden [3].

Fehlerrechnung: Messunsicherheit und ModellfehlerIn den beiden folgenden Tabellen wird die Unsicherheit bezglich der Arbeitszahlberechnung mit dem oben beschriebenen WP-Modell analysiert. Den grssten Anteil am Fehler hat die Temperaturmessung. Sie geschieht mit NTC-Thermoelemente. Diese werden als Anlegefhler eingesetzt, unter Verwendung von Wrmeleitpaste und einer 15 mm starken Dmmung.Tabelle 10: Bei Verwendung von Herstellerangaben bezglich des Messfehlers der Temperatursensoren betrgt die Unsicherheit bei der Berechnung des modellbasierten AZ-Erwartungswertes 4.9%.Temperaturmessunsicherheit: Herstellerangaben Fehler (Komponenten) Temperaturmessungen 1 Messpunkt NTC-Thermoelemente Tq [C] absolut [K] relativ [%] Quellentemperatur 5.0 0.2 Fehler (Komponenten) Temperaturmessungen 2 Messpunkt NTC-Thermoelemente Ts [C] absolut [K] relativ [%] Senkentemperatur 35.0 0.2 WP-Modell Messpunkt Fehler Max.Fehler = 2*SD [-] relativ [%] Arbeitszahl (AZ): S/W 5/35 3.5 1.0 Arbeitszahl (AZ) Messpunkt [-] 3.5 Total Vertrauensintervall (CI) Anlagen [Stk.] Annahme: 5 Max.Fehler = 2*SD 10 50 Totaler Fehler AZ=f(Tq) absolut [K] dAZ/K [%] 0.2 2.50 Totaler Fehler AZ=f(Ts) absolut [K] dAZ/K [%] 0.2 1.60 Totaler Fehler absolut [-] relativ [%] 0.035 1.00 Fehlerrechnung (AZ) absolut [-] relativ [%] 0.17 4.9 CI [%] 2.17 1.53 0.69 AZ absolut [-] 0.14 AZ absolut [-] 0.09 AZ absolut [-] 0.04

Wird mit dem Messfehler des Herstellers (0.2 K) gerechnet, so ergibt sich eine totale Unsicherheit bezglich der AZ von 5% (Tab. 10). Da der Fehler des verwendeten WP-Modells nur 1% betrgt, erhht sich die Gesamtunsicherheit bei der Annahme eines Temperaturfehlers von 0.4 K entsprechend auf 10% (Tab. 11).Tabelle 11: Wird angenommen, dass die Temperaturmessung wegen der Trgheit und nicht optimaler Fhlerplatzierung eine Unsicherheit von 0.4 K aufweist, so resultierte eine Unsicherheit bezglich des AZ-Erwartungswertes von 9.7%.Temperaturmessunsicherheit: "worst case" Fehler (Komponenten) Temperaturmessungen 1 Messpunkt NTC-Thermoelemente Tq [C] absolut [K] relativ [%] Quellentemperatur 5.0 0.4 Fehler (Komponenten) Temperaturmessungen 2 Messpunkt NTC-Thermoelemente Ts [C] absolut [K] relativ [%] Senkentemperatur 35.0 0.4 WP-Modell Messpunkt Fehler Max.Fehler = 2*SD [-] relativ [%] Arbeitszahl (AZ): S/W 5/35 3.5 1.0 Arbeitszahl (AZ) Messpunkt [-] 3.5 Total Vertrauensintervall (CI) Anlagen [Stk.] Annahme: 5 Max.Fehler = 2*SD 10 50 Totaler Fehler AZ=f(Tq) absolut [K] dAZ/K [%] 0.4 2.50 Totaler Fehler AZ=f(Ts) absolut [K] dAZ/K [%] 0.4 1.60 Totaler Fehler absolut [-] relativ [%] 0.035 1.00 Fehlerrechnung (AZ) absolut [-] relativ [%] 0.34 9.7 CI [%] 4.27 3.02 1.35 AZ absolut [-] 0.29 AZ absolut [-] 0.18 AZ absolut [-] 0.04

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Da sich die Aussagen von FAWA aber immer auf Messungen an mehreren Anlagen absttzen, ist eigentlich das resultierende Vertrauensintervall (CI) relevant. Dieses ist in den beiden Tabellen jeweils beispielhaft fr 5, 10 und 50 Anlagen dargestellt. Das CI zeigt, dass auch im schlechten Fall die Messunsicherheit kaum mehr als 3% zur Unsicherheit bezglich eines Mittelwertes ber eine Anlagengruppe beitrgt.

3.4.3

Einfluss von Temperaturen und Anlagenkomponenten auf nJAZ

Hier geht es um die Analyse des Einflusses von Anlagenkomponenten wie Erdwrmesonde und Regelung auf die Systemtemperaturen und damit auf die energetische Effizienz von Anlagen. Ebenfalls wird der Einfluss von technischen Speichern auf das Betriebsverhalten (Takten) untersucht. Von diesem wird ebenfalls ein Einfluss auf die JAZ vermutet. Als Mass fr die energetische Effizienz wird die klimanormierte Jahresarbeitszahl verwendet. Um die Einflsse einzelner Komponenten auf die nJAZ herauszuarbeiten, werden alle bekannten Einflsse aus den gemessenen nJAZ-Werten eliminiert, damit die Abhngigkeit der nJAZ vom untersuchten Parameter umso deutlicher in Erscheinung tritt. Dazu wird mit der Gl. 14 eine so genannte Relative Energetische Performance (REP) berechnet. Die Formel stellt primr die gemessene nJAZ einer Anlage dem entsprechenden Modellwert gegenber. Je nach Zielsetzung werden fr die Berechnung des Modellwertes mittlere (ber alle Anlagen) Quellen- resp. Senkentemperaturen eingesetzt oder anlagenspezifische Werte (vgl. nachfolgenden Beschrieb der Varianten a bis d). Wird ber alle Anlagen mit einem konstanten Wert (Mittelwert ber alle Anlagen) gerechnet, dann verbleibt der Einfluss dieser Grsse in der resultierenden REP einer Anlage, da deren Einfluss nicht in den Modellwert (nJAZModell, vgl. Gl. 14) und somit die REP einfliesst. Wird andererseits mit anlagenspezifischen Temperaturen gerechnet, dann wird der durch das WP-Modell abgebildete Zusammenhang aus der nJAZ, resp. der REP eliminiert. Durch die in Gl. 14 enthaltene Multiplikation mit dem Quotienten aus mittlerem Modellwert- zu Messwert wird das Mittel der REP auf 1 normiert. Dies bedeutet, dass Anlagen mit einer REP > 1 bezglich der Zielgrsse besser als der Durchschnitt sind.REP = nJAZ IST nJAZ______ Modell ______

(14)

nJAZ Modell nJAZ IST______

nJAZ Modell =n

m =1

nJAZn

n

Modell m

(15)

nJAZ IST =

______

m =1

JAZn

IST m

(16)

REP:nJAZ IST :nJAZ IST :______

Relative Energetische Performance Anlagenspezifischer JAZ-Messwert Mittlerer JAZ-Messwert ber alle (n) L/W- resp. S/W-Anlagen

nJAZ MOdell : Anlagenspezifischer JAZ-Modellwert (Erwartungswert) nJAZ Modell : Mittlerer JAZ-Modellwert ber alle (n) L/W- resp. S/W-Anlagen______

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Normiert wird fr die L/W- und S/W-Anlagen getrennt, d.h. der mittlere Modellwert wird fr L/W- und S/W-Anlagen getrennt bestimmt. Damit wird sichergestellt, dass der mittlere REP-Wert ber alle L/W- resp. ber alle S/W-Anlagen jeweils auf 1.0 zu liegen kommt. Grundstzlich werden hier mittlere Heizperioden-Systemtemperaturen fr die Modellrechnung verwendet. Diese sind Regressionswerte bei Ta 3C der Loggermessungen gemss Kap. 3.2.2. Ausnahme bildet die Quellentemperatur bei den L/W-Anlagen. Fr diese wird der Mittelwert aller bis heute erfassten wrmegewichteten Aussentemperaturen (vgl. Gl. 4) verwendet. Der so ermittelte Wert entspricht am besten den mittleren Verhltnissen bei einer Anlage. Die so resultierenden nJAZ-Modellwerte fr mittlere Heizperioden-Systemtemperatur werden - nicht ganz korrekt als Jahresarbeitszahl-Erwartungswerte bezeichnet. Nicht ganz korrekt ist die Bezeichnung bei Anlagen, welche auch im Sommer Warmwasser mittels Wrmepumpe bereitstellen und deren Jahresarbeitszahl nicht genau der Arbeitszahl in der Heizperiode entspricht. Es werden die folgenden vier Flle unterschieden: a) Bezeichnung: Normierte Grssen: Anwendung: Eliminierung Maschineneinfluss Es wird nur der Einfluss des WP-Aggregats aus den gemessenen JAZWerten eliminiert. Die Effekte von unterschiedlichen Quellen- und Senkentemperaturen bleiben bestehen. Bei der Entwicklung der Anlagenjahrgnge (Kap. 5.2.1) wird mit dieser Methode der Einfluss sich verndernder Systemtemperaturen untersucht. Die Grnde, weshalb nicht direkt diese Temperaturen betrachtet werden ist einerseits, dass nur von der Hlfte der Anlagen entsprechende Messwerte vorliegen und andererseits direkt der Einfluss auf die Arbeitszahl interessiert. Vorgehen: Fr die Berechnung des anlagenspezifischen Modellwertes und entsprechend fr dessen Mittelwert ber alle Anlagen werden dieselben mittleren Quellen- und Senkentemperaturen (FAWA-Messungen) verwendet.nJAZ Modell und nJAZ Modell = f (q , s )______

(17)

Die folgenden Gleichungen gelten auch fr die Flle b bis d:

q, S/W: q, L/W:

Regressionswert von Sole aus Loggermessung bei Ta=3C Wrmeproduktiongewichtetes Mittel der Aussentemperatur gemss Meteostation (hhenkorrigiert)

q, L / W =

i =1 k

k

a, i

qii

qi =1

a,i: Aussentemperatur im Ableseintervall i (hhenkorr.) qi: Produzierte Wrmemenge im Ableseintervall i

s:n

Regressionswert von VL aus Loggermessungen bei Ta=3C

q =

m =1

n

q m

(18)

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q m : Anlagenspezifische Quellentemperatur der Anlage mm: Alle betrachteten L/W- oder S/W-Anlagens m

s =

m =1

nm:

n

(19)

s m : Anlagenspezifische Senkentemperatur der Anlage mAlle betrachteten L/W- und S/W-Anlagen

q ,L / Wb) Bezeichnung: Normierte Grssen:

: 4.3C;

q ,S / W

: 4.8C;

s

: 38.9C

Eliminierung Maschinen- und Quellentemperatureinfluss Neben dem Einfluss des WP-Aggregats wird auch der Einfluss der Quellentemperatur eliminiert. Fr die Senkentemperatur wird nicht der anlagenspezifische Messwert, sondern der entsprechende Erwartungswert gemss Reglereinstellung verwendet. Diese Methode wird bei der Untersuchung des Einflusses des Reglers (m/o Aufschaltung der Raumtemperatur) auf die Jahresarbeitszahl (Kap. 5.3.3) verwendet. Fr alle Aggregate werden dieselben mittleren Senkentemperaturen verwendet. Als Quellentemperaturen werden die anlagenspezifischen FAWA-Messwerte eingesetzt.nJAZ Modell und nJAZ Modell = f (q , s )______

Anwendung:

Vorgehen:

(20)

c)

Bezeichnung: Normierte Grssen: Anwendung: Vorgehen:

Eliminierung Maschinen- und Senkentemperatureinfluss Neben dem Einfluss des WP-Aggregats wird auch der Einfluss der Senkentemperatur eliminiert. Diese Methode wird bei der Untersuchung des Einflusses der Erdwrmesondentemperatur auf die Jahresarbeitszahl (Kap. 5.3.8.1) verwendet. Fr alle Aggregate werden dieselben mittleren Quellentemperaturen verwendet. Als Senkentemperaturen werden die anlagenspezifischen FAWA-Messwerte verwendet.nJAZ Modell und nJAZ Modell = f (q , s )______

(21)

d)

Bezeichnung: Normierte Grssen: Anwendung:

Eliminierung Maschinen-, Quellen- und Senkentemperatureinfluss Neben dem Einfluss des WP-Aggregats wird auch der Einfluss der Quellen- und Senkentemperatur eliminiert. Diese Methode wird bei der Untersuchung des Einflusses der Speichereinbindung auf die Jahresarbeitszahl (Kap. 5.3.7) verwendet. Es wird vermutet, dass die Speichereinbindung das Betriebsverhalten (Takten) der Maschinen und damit die energetische Effizienz beeinflusst. Dies entspricht eigentlich der Betrachtungsweise, wie sie oben im Abschnitt Wrmepumpe, resp. im Kap. 3.4.4 beschrieben wird. Der Unterschied liegt darin, dass hier bei fehlenden Temperaturmesswerten Annahmen fr diese eingesetzt werden (vgl. Vorgehen).

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Vorgehen:

Fr alle Aggregate werden mglichst anlagenspezifische Quellen- und Senkentemperaturen verwendet. Liegen keine Messwerte vor, wird quellenseitig das Mittel dieser Gruppe (Unterscheidung zw. L/W und S/W) und senkenseitig der aus der Heizkurveneinstellung abgeleitete Wert eingesetzt.nJAZ Modell und nJAZ Modell = f (q , s )______

(22)

In der berschrift der Abbildungen, in welche REP dargestellt sind, wird in der zweiten Zeile jeweils ausgewiesen, welche der oben beschriebenen Varianten gewhlt wurde. Es steht dann jeweils nWP (Tq: x; Ts: y), wobei nWP fr normierten WP-Effekt steht. Bei x resp. y wird angegeben, ob mit anlagenspezifischen (spez.) oder mittleren Temperaturen (Mittel) gerechnet wurde.

3.4.4 Einfluss von WP-Komponenten und Betriebweise auf AZZiel ist es zu erkennen, wie weit WP-Aggregate im Feld von denjenigen auf dem Prfstand abweichen. Das Vorgehen entspricht weitgehend dem Fall d) im vorherigen Kapitel. Als Bezugsgrsse wird hier aber nicht die Jahresarbeitszahl verwendet, sondern die Arbeitszahl, resp. der Stromverbrauch und die Wrmeproduktion in der Periode, in welcher die anlagenspezifischen Quellen- und Senkentemperaturen gemessen wurden. Damit werden also Messwerte mit Erwartungswerten verglichen, welche im exakt gleichen Zeitintervall ermittelt wurden. Unsicherheiten, wie sie oben durch das Umrechnen von Temperaturmesswerten in der Messperiode auf Heizperioden-Mittelwerte entstehen, sind dadurch ausgeschlossen. Die Systemtemperaturen sind damit als Parameter, welche Mess- zu Erwartungswert-Differenzen verursachen knnten, vollstndig eliminiert. Es verbleiben also nur noch Abweichungen des realen Aggregats zum Modell.

Vergleich von Mess- und ErwartungswertenUnterschiede knnen ihre Ursache innerhalb (intern) oder ausserhalb der Wrmepumpe (extern) haben. Diese beiden Fehlerquellen sind in Abb. 12 nher beschrieben.

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Ist- und Erwartungswert der ArbeitszahlGrnde fr DifferenzenExtern (Betriebsbedingungen) - Dynamik (Stillstands- und Anfahrprozesse) - Verschmutzung der Wrmetauscher - Wrmetrger (Volumenstrme) Intern (Komponenten der Wrmepumpe) - Qualitt der Komponenten (z.B. Kompressor) - Regelung der internen Prozesse (z.B. Abtauung) - Defekte Komponenten

ErwartungswertZu erwartende Arbeitszahl gemss der Messung am WPZ (Modellrechung auf Basis von gemessenen Temperaturen)

Messswert IstwertVerhltnis aus produzierter Wrme und verbrauchtem Strom (Zhlerablesung)

Abbildung 12: Verschiedene Grnde knnen zu einem Messwert fhren, der sich vom Erwartungswert der Arbeitszahl unterscheidet. Einerseits entsprechen die Betriebsbedingungen in der Realitt nicht jenen am WPZ, dazu gehrt auch die Ablagerung von Schlamm aus dem Abgabesystem (alte Radiatoren) in den Wrmetauschern. Zu den internen Ursachen werden Abweichungen der Qualitt der Komponenten, deren Regelung aber auch Defekte gezhlt.

VorgehenDie mit Datenloggern aufgezeichneten Systemtemperaturen (Kap. 3.2.2) werden mit der ebenfalls erfassten Kompressorlaufzeit im jeweiligen Intervall gewichtet. Mit dem resultierenden, gewichteten Mittel von Quellen- und Senkentemperatur wird ber das WP-Modell (Kap. 3.4.2) auf die erwhnten Erwartungswerte geschlossen. In der gleichen Periode werden Stromverbrauch und Wrmeabgabe mittels Zhlern erfasst und knnen so als Messwerte mit den Erwartungswerten verglichen werden. Da am WPZ nicht Arbeitszahlen sondern Leistungszahlen gemessen werden (EN 255), mssen die Erwartungswerte entsprechend auf die Systemgrenzen (JAZ 1) der Istwerte korrigiert werden, dies betrifft insbesondere die Energie fr die Umwlzpumpen. Konkret werden die bei der EN 255 bercksichtigten Werte durch die realen Stromverbruche der Umwlzpumpen ersetzt, diese knnen deshalb als Ursache fr allfllige Differenzen zwischen Messund Erwartungswert ausgeschlossen werden.

g =

n =1 x

x

n

* tnn

(23)

tn =1

pE Mod = f ( g , q ,g , s ) E EW = pE Mod * t

(24) (25)

g :n :n: x: tn: pEMod:

Mit der Laufzeit gewichteter Messwert der Systemtemperatur;

g , q : Quelle, g , s : SenkeMesswert der Systemtemperatur n-tes Intervall der Messperiode Letztes Intervall der Messperiode Laufzeit der WP im n-ten Messintervall Modellwerte der elektrischen Leistungsaufnahme des WP-Aggregats

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EEW: t:

Erwartungswert fr die Aufnahme an elektrischer Energie Gesamtlaufzeit in der Messperiode

Bei Luft/Wasser-Maschinen werden mit der FAWA-Messung whrend dem Abtauen vorlaufseitig Temperaturen aufgezeichnet, die nicht mit dem Modell kompatibel sind. Sie liegen insbesondere bei Maschinen mit Umkehrabtauung sehr tief. Das Modell schliesst damit flschlicherweise auf eine hohe Wrmeproduktion. Real wird whrend dem Abtauen aber keine Wrme an den Nutzer abgegeben, bei Umkehrabtauung diesem sogar Wrme entzogen. Der Erwartungswert fr die Wrmeproduktion wird bei den Luft/Wasser-Anlagen durch diesen Effekt also zu hoch berechnet. Andererseits tauen Anlagen im Feldbetrieb durchschnittlich weniger ab, als whrend einer Prfstandsmessung nach EN 255. Grnde dafr sind natrliche Abtauung whrend Stillstandszeiten, die Regelung und real tiefere Luftfeuchten. Dieser Umstand fhrt zu einer real besseren energetischen Effizienz.

Korrigierte ErwartungswerteAbweichungen der Volumenstrme ber Verdampfer und Verflssiger zwischen Modell (Prfstand) und Realitt (Feldmessung) fhren zu Differenzen zwischen Mess- und Erwartungswert. Die so verursachten Differenzen sind kaum zu interpretieren.Einfluss des Volumenstroms auf die Verdampfungstemperatur12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 -2.0 -1 1T m T r 2

Quelle Tr T m Sole Austritt Modell Tm Tr Sole Austritt real Verdampfung Modell Verdampfung real5 7 9

3

Abbildung 13: Die beiden roten Linien zeigen den Verlauf der Mediumstemperaturim Verdampfer: Die durchgezogene Linie steht fr den Verlauf, der dem Modell zugrunde liegt; die gestrichelte Linie zeigt den Verlauf beim real geringeren Volumenstrom.

Wird eine Anlage beispielsweise mit einem kleineren quellenseitigen Volumenstrom betrieben, als er bei der Prfstandsmessung vorlag, so ist die reale Differenz zwischen der Verdampfereintrittsund Verdampfungstemperatur grsser als bei der Prfstandsmessung, die dem Modell zugrunde liegt (Abb. 13). Entsprechend verschiebt sich der Erwartungswert der Arbeitszahl bezglich dem Messwert nach oben. Ohne Korrektur dieses Effektes wrde in diesem Fall darauf geschlossen, dass die Maschine nicht optimal funktioniert, was aber nicht zutrifft. Aus diesem Grund wird dieser Effekt quellen- und senkenseitig im korrigierten Erwartungswert (EWk) eliminiert. Dazu wird die Differenz der Temperaturspreizung ber dem Wrmebertrager zwischen Modell und Realitt berechnet. Die fr die Erwartungswertberechnung verwendeten Verdampfereintrittsresp. Verflssigeraustrittstemperatur wird dann um die Hlfte dieser Differenz korrigiert (Gl. 26).

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Ein,k = Ein,m +wobei

Tm Tr 2

(26)

T r =

Pm Vr * r * c rEin;k: Ein;m: Tm: Tr: Pm: Vr: r: cr:

: fr Verdampfer nur nherungsweise gltig

(27)

Gesuchte (korrigierte) Eintrittstemperatur in Verdampfer Nicht korrigierte Eintrittstemperatur in Verdampfer Nicht korrigierte Temperaturspreizung der Quelle oder Senke Korrigierte Temperaturspreizung der Quelle oder Senke Nicht korrigierte Leistung des Wrmebertragers (Modellwert bei nicht korrigierten Temperaturen) Volumenstrom durch Wrmebertrager Dichte des Mediums Wrmekapazitt des Mediums

Die Messung von Sole- oder Wasservolumenstrmen wurde mit Ultraschallgerten durchgefhrt. Senkenseitig konnte dazu der Wrmezhler verwendet werden, quellenseitig wurden mobile Gerte eingesetzt. Luftvolumenstrme wurden mit Flgelrad- oder Hitzdrahtanemometer vorgenommen. Liegen auch Modell- und Messwerte der Frostschutzmittelart und -konzentration in Erdwrmesonden vor, so werden diese einbezogen. Der Einfluss vernderter Wrmebergnge in Verdampfer und Verflssiger bei Abweichungen von Volumenstrmen und Frostschutz hingegen wird nicht bercksichtigt.

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3.5 RechenwerkzeugeIn FAWA werden alle Daten einer Wrmepumpenanlage in einem Anlagenfile erfasst und fr den Export in die Auswertedatei aufbereitet (Abb. 14). Bei dieser Aufbereitung werden anlagenspezifische oder allgemeingltige Definitionen verwendet. Erstere befinden sich im Anlagenfile, Letztere in der Datei FAWA-Zentral.Anlagenfile (1 Excel-Datei pro Anlage)EINGABE Analgendaten Charakterisieren Anlage (Aggregat, Einbindung, usw.), Objekt (Hlle, usw.) und Rahmenbedingungen. VBAMeteodaten Ta von MeteoSchweiz -> ExcelTabelle (WET-File) Betriebsdaten a) Zhlerdaten Ablesedaten von Bauherren (1 bis 4 Wochen-Summen von Energie, Laufzeit und Starts). b) Loggerdaten 30' Mittel von Temperaturen und Kompressorlaufzeit (Manuelles Einfgen von maximal 3 Datenfiles pro Anlage). Makro AUFARBEITUNG Metadaten Berechnung der fr die Auswertung bentigten Daten (JAZ, Sommer-JAZ, Laufzeit pro Start, usw.). CHECK EXPORT Export-Tabellen Mit allen dynamischen Daten pro Betriebsjahr und als Total seit Messbeginn oder pro Periode mit Logger-Messungen.

Controlling Mathematische Plausibilitts-Checks mit Autokorrektur, Graphen vor/nach Autokorrektur, Ausweisen des Anteils korrigierter Daten. Temperaturen Berechnung der fr Auswertung bentigten Daten (Heizkurve, usw.), m/o BWW-Bereitung.

Erwartungswert Berechnung der fr Auswertung bentigten Daten. Excel-Verknpfung

FAWA-Zentral (Excel-Datei)Enthlt Definitionen und Datenbanken (WPAggregate, Meteostationen, usw.), die von allen Anlagenfiles genutzt werden.

VBA-Makro (bertrgt die Exportdaten aller Anlagenfiles)

Bemerkung: VBA-Makros (Excel-Programme) kopieren neu nur Daten. Es werden keine Berechnungen mehr durchgefhrt.

Auswertung (Excel-Datei)IMPORT Tabellen mit den unvernderten Daten aus allen Anlagenfiles. AUFBEREITUNG Tabellen mit katogorisierten Daten (z.B. Anlagentypen), Hufigkeiten, usw. DARSTELLUNG Darstellung der Daten bezglich der Fazite.

Abbildung 14: Elemente und Ablauf des Datenmanagements in FAWA.

Das Transportfile ist ein Hilfsmittel, um beim Austausch von Anlagendaten innerhalb der ARGE nicht ganze Anlagenfiles (60 MB) verschicken zu mssen. Es enthlt alle Rohdaten eines Anlagenfiles (Anlagen- und Betriebsdaten) und hat nur eine Grsse von maximal 1.2 MB, abhngig von der Anzahl Loggerdatenstze.

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3.5.1 AnlagenfileDas Anlagenfile ist eine Arbeitsmappe mit verschiedenen Blttern, auf welche vom Blatt Zentrale mittels Hyperlink zugegriffen werden kann (Tab. 12).Tabelle 12: Blatt Zentrale des Anlagenfiles. Von hier kann auf alle in der Arbeitsmappe enthaltenen Blttermittels Hyperlink zugegriffen werden.

ZentraleHyperlinksInputBauherren-Info Fingerprint

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