Entwicklung, Bewertung und simulatorische Untersuchung eines neuartigen Systems zur energieeffizienten Trinkwarmwassererzeugung durch dezentrale Wärmepumpensysteme und zentraler regenerativ bereitgestellter Wärme

Das Forschungsvorhaben betrachtet neuartige Lösungen für ein energieeffizientes Trinkwarmwassersystem mittels dezentral angeordneter Wärmepumpen, die über zentral bereitgestellte Energie versorgt werden. Hierbei werden verschiedene Systeme erstellt, rechnerisch bemessen, simuliert und ausgewertet. Dabei werden zu jeder Zeit die allgemein anerkannten Regeln der Technik hinsichtlich der hygienischen Qualität des Trinkwarmwassers und der energetischen Vorteilhaftigkeit des Systems beachtet.

Die Vorteile von dezentralen Systemen gegenüber einer zentralen Versorgung liegen unter anderem in der deutlich niedrigeren Vorlauftemperatur und zusätzlich in den geringeren Wärmeverlusten der Rohrleitungen aufgrund von kurzen Distanzen zwischen den dezentralen Trinkwassererwärmen und den Zapfstellen. Während zentrale Systeme an der Entnahmestelle aus hygienischen Gründen Vorlauftemperaturen von über 60°C einhalten müssen, können dezentrale Anlagen auch mit deutlich niedrigeren Temperaturen hygienisch einwandfreies Trinkwarmwasser bereitstellen. Diese niedrigen Bereitstellungstemperaturen prädestinieren das System für den Einsatz von dezentral angeordneten Kleinstwärmepumpen, da mit einer sinkenden Vorlauftemperatur die Effizienz von Wärmepumpen ansteigt. Durch die Verwendung eines wohnungsinternen Energiespeichers kann die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe weiter reduziert werden und es ergeben sich gleichzeitig zusätzliche Möglichkeiten Energie thermisch zu speichern.

Zur Untersuchung des Systems wird zunächst eine allgemeingültige Möglichkeit zur Dimensionierung dieses Systems aufgezeigt. Darauf aufbauend wird das System in Matlab/ Simulink abgebildet und simulatorisch untersucht.

Durch die Simulation wird gezeigt, dass die vorab durchgeführte Dimensionierung vorgegebene Komfortkriterien erfüllen. Anhand der Erstellung repräsentativer Vergleichssysteme wird eine energetische Bewertung der Systeme durchgeführt. Es zeigt sich, dass durch den Einsatz der neuartigen Systeme ein hohes Primärenergieeinsparpotenzial besteht.

Bei einer Versorgung durch Geothermie wird eine Erzeugerjahresarbeitszahl von 3,8 für die Trinkwarmwasserbereitung simulatorisch nachgewiesen. Bei einer Variation der Wärmequelle wird gezeigt, dass durch Ausnutzung der hohen Temperaturen im Abwasser die Systemeffizienz noch deutlich gesteigert werden kann.

In einer auf den Simulationsergebnissen aufbauenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden die Annuitäten der Systemkonfigurationen verglichen. Es zeigt sich, dass bei den getroffenen Annahmen die neuartigen Systeme aufgrund des hohen Anlagenaufwands bei derzeitigen Energiepreisen und den Kosten der Anlagentechnik zur Zeit noch nicht wirtschaftlich darstellbar sind.