Wärmepumpenmodelle

Das Modul “Wärmepumpe“ dient zur Modellierung von elektrischen Wärmeerzeugern mit einem festen oder variablen COP (Coefficient of Performance). Die Eingabemaske erlaubt die Definition technischer Leistungsdaten, Betriebsbedingungen und Kosten.

In DynamicES werden dabei grundsätzlich drei Wärmepumpenmodelle unterschieden, basierend auf der Verfügbarkeit der thermischen Quelle.

Das allgemeine Modell betrachtet die Quelle als unbegrenzt und vernachlässigt damit resultierende Einschränkungen.

Im detaillierten Modell „Wärmepumpe mit thermischer Quelle“ wird die thermische Quelle berücksichtigt und muss als Energiefluss im Energiemodell integriert sein.

Das dritte Modell “Kombi-Wärmepumpe” baut auf der “Wärmepumpe mit thermischer Quelle” auf und berücksichtigt dabei mehrere Input Quellen mit unterschiedlichen COP.

Das allgemeine Wärmepumpenmodell entspricht einer Luft-Wärmepumpe. Hier wird Luft als unbegrenzt verfügbar angesehen, sodass sie vernachlässigt werden kann. Effizienzabhängigkeiten durch Temperaturschwankungen werden über den COP angegeben.

Das detaillierte Wärmepumpenmodell spielt beispielsweise bei Abwärme-Wärmepumpen (Wasser-Wasser-Wärmepumpen) eine wichtige Rolle. Die Abwärme einer anderen Komponente kann berücksichtigt werden und stellt eine Einschränkung für die Wärmepumpe dar. Ohne verfügbare Abwärme kann die Wärmepumpe in diesem Fall nicht betrieben werden.

Die Kombi‑Wärmepumpe nutzt mehrere Wärmequellen mit jeweils eigenem COP und wählt fortlaufend die effizienteste verfügbare Quelle. In der Praxis sind Kombinationen wie Luft und thermische Abwärme üblich; der COP variiert insbesondere mit der Lufttemperatur und wird in der Optimierung entsprechend berücksichtigt.

Wärmepumpe (allgemein)

Allgemeine Angaben

• Status: Aktiviert die Wärmepumpe
  → Wärmepumpe aktivieren durch “aktiv“ einsetzen

• Bezeichnung: Freie Namenswahl für die Wärmepumpe.

• Wärmeoutput: Temperaturstufe der erzeugten Wärme (z. B. Mitteltemperatur, Hochtemperatur)

COP (Coefficient of Performance)

• COP Typ: Auswahl zwischen festem COP oder variablem COP (z. B. temperaturabhängig)
  → Auswahl: fester COP “fest“ oder variabler COP “variabel“

• COP Wert: Fester COP-Wert bei Nennbedingungen (nur relevant, wenn COP Typ = "fest").

• COP Zeitreihe Name: Name der Zeitreihe für variablen COP aus den Arbeitsblättern “1h“ oder “15min“
  → Temperaturabhängige Zeiten können in den Arbeitsblättern “1h” oder “15min” angegeben werden.

Leistungsdaten

• Leistung elektrisch max: Maximale elektrische Leistungsgrenze der Wärmepumpe
  → “-1” eintragen=> Dies wird vom System als „unbegrenzt“ interpretiert.

• Leistung elektrisch min: Minimale elektrische Leistungsgrenze der Wärmepumpe

Betriebsbedingungen

• Mindestlaufzeit: Mindestdauer, die die Wärmepumpe nach dem Einschalten laufen muss (in Stunden)

• Mindestabschaltzeit: Mindestdauer, die die Wärmepumpe nach dem Abschalten inaktiv bleiben muss (in Stunden)

• Fahrplan: Bezieht sich auf den elektrischen Input, wobei der Nutzer einen zeitabhängigen Stromverbrauchsplan als Zeitreihe in der Arbeitsblatt “1h“ oder “15min” vorgeben kann
  → Der Optimierer versucht den Fahrplan bestmöglich einzuhalten.

Kosten

• Betriebskosten pro kWh: Variable Kosten bezogen auf den thermischen Output (in ct/kWh)

• Betriebskosten pro Betriebsstunde: Fixe Kosten pro Betriebsstunde (in ct/Bh)

Wärmepumpe mit thermischer Quelle

Das Modul "Wärmepumpe mit thermischer Quelle" basiert grundsätzlich auf dem Modul "Wärmepumpe" und erweitert dieses um die Angabe einer externen thermischen Quelle (z. B. Erdreich, Grundwasser oder Abwärme). Die Modellierung erfolgt analog zur Standard-Wärmepumpe, jedoch mit zusätzlichen Parametern zur Quelle (Quellentemperatur, Wärmebereitstellung).

Die Angabe einer thermischen Quelle ist insbesondere relevant, wenn die Effizienz (COP) der Wärmepumpe stark von der Quelle abhängig ist, etwa bei Nutzung von Abwärme in industriellen Prozessen oder bei Erdwärmepumpen.

Zusätzliche Parameter

• Wärmeinput: Wärmenetz der bezogenen Wärme, z. B. Mitteltemperaturquelle

Kombiwärmepumpe

Das Modul „Kombiwärmepumpe“ basiert auf dem Modul „Wärmepumpe“ und erweitert dieses um die Möglichkeit, bis zu drei verschiedene Wärmequellen parallel zu modellieren. Ziel ist es, die unterschiedlichen Quellentemperaturniveaus und deren Einfluss auf den Wirkungsgrad (COP) realistisch abzubilden. Das Optimierungssystem kann diese Unterschiede berücksichtigen und zu jedem Zeitpunkt automatisch die vorteilhafteste Quelle auswählen.

In der Praxis ist dies relevant, wenn mehrere Wärmequellen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus zur Verfügung stehen (z. B. Luft, Erdreich, Abwärme). Für jede verwendete Quelle muss ein entsprechender Wärmeinput ausgewählt werden. Das zugeordnete Wärmenetz muss wiederum mit einer geeigneten Wärmequelle verknüpft sein.
Luft kann als unbegrenzte Quelle mit Hilfe der Komponente “Netzanschluss thermisch” integriert werden.

Werden weniger als drei Quellen benötigt, kann dies über den Parameter „Nutzung“ je Quelle gesteuert werden, indem die nicht benötigten Quellen auf „inaktiv“ gesetzt werden.

Zusätzliche Parameter je Quelle

• Nutzung: Aktiviert oder deaktiviert die jeweilige Quelle.

• Wärmeinput: Wärmenetz der bezogenen Wärme, z. B. Mitteltemperatur

• COP Typ: Auswahl zwischen festem COP oder variablem COP (z. B. temperaturabhängig)

• COP Wert: Fester COP-Wert bei Nennbedingungen (nur relevant, wenn COP Typ = "fest").

• COP Zeitreihe Name: Name der Zeitreihe für variablen COP aus den Arbeitsblättern “1h“ oder “15min“