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In Zeiten zunehmenden Umweltbewusstseins und steigender Energiekosten gewinnt die Optimierung der Energieeffizienz von Anlagen und Gebäudetechnik zunehmend an Bedeutung. Insbesondere im Kontext nachhaltiger und ressourcenschonender Heizungs- und Warmwassersysteme haben sich Wärmepumpen als maßgebliche Technologien etabliert. Die effiziente Bereitstellung von Warmwasser nimmt dabei eine essenzielle Position ein, da sie einen erheblichen Anteil am Gesamtenergieverbrauch eines Gebäudes ausmacht. Die vorliegende Masterarbeit widmet sich der Fragestellung, welchen Einfluss Zirkulationsleitungen auf die Effizienz von Wärmepumpen haben und wie sich alternative dezentrale Warmwasserbereitungssysteme auf diese auswirken. Konkret wird diese Fragestellung am Beispiel einer Mittelschule in Frastanz untersucht. Die Untersuchung erfolgt mithilfe von Simulationen mit der Software GeoT*Sol, wodurch verschiedene Szenarien der Warmwasserbereitung und deren Auswirkungen auf die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe simuliert werden. Es werden sechs Varianten verglichen, darunter der Ist-Stand mit Zirkulationsleitung, eine zeitlich angepasste Zirkulation, eine Variante ohne Zirkulation sowie dezentrale Warmwasserbereitung mit und ohne Photovoltaik-Einbindung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zirkulationsleitung einen signifikanten Einfluss auf die JAZ einer Wärmepumpe hat, da permanent Wärmeverluste entstehen, selbst ohne Warmwasserbedarf. Die dezentrale Warmwasserbereitung mit PV-Einbindung erweist sich als vielversprechend, sowohl in Bezug auf energetische Einsparungen als auch auf finanzielle Rentabilität. Die Masterarbeit bietet somit wichtige Erkenntnisse und Handlungsempfehlungen für die Mittelschule Frastanz, um ihre Energieeffizienz zu steigern und Kosten einzusparen. Die Empfehlungen zur Beibehaltung der Bestandswärmepumpe, der Installation dezentraler Warmwasserbereitungsanlagen und der PV-Anlage können als Grundlage für zukünftige Investitionsentscheidungen dienen und einen Beitrag zum nachhaltigen Energiemanagement der Schule leisten.
Industriebetriebe wie auch jene der Lebensmittelbranche sind zunehmend auf der Suche nach umweltfreundlichen Alternativen zur Wärmebereitstellung. Wo bislang Gas oder sogar Öl als Brennstoff verwendet wurde, gewinnen Wärmepumpen langsam an Akzeptanz. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie eine Hochtemperaturwärmepumpe am Beispiel eines Schokoladeherstellers effizient betrieben werden kann. Zur Beschreibung der Ausgangslage wird zunächst der Wirkungsgrad des gegebenen Kesselhauseses berechnet, um anschließend die nötigen Lastprofile festzulegen. Nach der thermischen Modellierung möglicher Wärmequellen und einer gegebenen Wärmepumpe werden vier Jahressimulationen mit der Programmiersprache Python durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen zum einen, mit welchen Wirkungsgraden und Verdichterleistungen zu rechnen ist und zum anderen wie sich diese auf die betrachteten Wärmequellen auswirken. Die abschließende Wirtschaftlichkeitsberechnung beinhaltet die Analyse monatlicher Betriebskosten unter Berücksichtigung der angekündigten CO2-Bepreisung, sowie die Amortisationsdauern der betrachteten Szenarien. Die Sensitivitätsanalyse der Amortisationsdauer zeigt außerdem, in welchem Verhältnis sich Strom- und Gaspreis entwickeln dürfen, damit eine Wärmepumpe dieser Art wirtschaftlich konkurrieren kann. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen darüber hinaus welche Reduktion der CO2-Emissionen bezogen auf die Prozesswärmebereistellung möglich ist.
Sonnenhaus 2.0
(2021)
Die vorliegende Arbeit befasst sich im Rahmen einer Fallstudie hauptsächlich mit der Steigerung des Anteils an PV-Batteriebeladungsenergie von Elektrofahrzeugen. Zentral ist die Frage einer möglichen Beeinflussung dieses PV-Ladeanteils durch Re-konfiguration des thermischen Systems (Speicherkapazitäten, Betriebsstrategie der WP).
Dazu wurde das Mehrfamilienhaus anhand der dynamischen Gebäude- und Anlagensimulation nachgebildet. Im ersten Schritt erfolgte die Ermittlung der für die Gebäudekonditionierung notwendigen Nutzenergie anhand eines Gebäudemodells. Anschließend erfolgte eine Bedarfsoptimierung, um die Grundlast des Wärmeerzeugers möglichst weit zu senken. Dabei wurde zum einen der thermische Komfortbereich ausgenutzt, zum anderen wurde eine Steuerungslogik für die Verschattungs- und Nachtlüftungsautomatik erstellt. Hierdurch konnte der Heizwärmebedarf um 24% und der Kühlwärmebedarf um 70% gesenkt werden. Die Performance des Systems wurde außerdem in Simulationen mittels zukünftigen Klimaszenarien überprüft, in welchen sich die Reduzierung KWB als besonders vorteilhaft herausstellte. Im zweiten Schritt wurde die fassadenintegrierte PV-Anlage nachsimuliert und hinsichtlich ihrer standortspezifischen Ertragssituation mit konventioneller Dachbelegung verglichen. Es zeigte sich, dass die Fassadenbelegung in Südausrichtung über die Wintermonate ertragreicher ist als die, in der Jahresbilanz superiore Dachaufständerung. Im dritten Schritt wurde das technische Gebäudesystem des realen Objektes in der Software Polysun nachgebildet und mittels eigens entworfener Regelungslogik betrieben. Es wurden Variantenstudien der zentralen Parameter Speicherkapazität, Speichertemperatur und Betriebsstrategie durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Variation von Speichergröße und maximaler Speichertemperatur keinen relevanten Einfluss auf die PV-Beladeenergie der Elektrofahrzeuge hat. Jedoch zeigte die erhöhte Betriebsweise der Wärmepumpe bei PV-Überschuss (PVready) eine Steigerung der PV-Batteriebeladung von jährlich ca. 2 % sowie in einzelnen Monaten bis zu 6%. Außerdem konnte eine Steigerung der Autarkie des Gesamtsystems von 13,6% sowie eine Halbierung des Netzbezuges beobachtet werden.