CH717617B1

CH717617B1 - Verfahren zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen.

Info

Publication number: CH717617B1
Application number: CH000830/2020A
Authority: CH
Inventors: Grüning Horst
Original assignee: Horst Gruening Hokatherm Heizsysteme Gruening
Priority date: 2020-07-06
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2024-04-30
Also published as: CH717617A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen, welches in vordefinierten Zeitabschnitten den coefficient-of-performance- (COP)-Wert ermittelt, diesen derart skaliert (5), dass der Ergebniswert bei ordnungsgemässem Dauerbetrieb der Wärmepumpe unabhängig von der Differenz aus der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe und der Aussenlufttemperatur wird und die Ergebniswerte über eine vor-definierte Zeitspanne mittelt. Durch das Verfahren wird eine präzise Beurteilung der Effizienz bereits nach wenigen Betriebsstunden möglich.

Description

Stand der Technik

[0001] Wärmepumpen besitzen eine ausgereifte Technik; sie sind etabliert und ein Schlüssel zur Umsetzung der Energiestrategie. Weil aber jedes Haus anders ist und darüber hinaus auch noch das Nutzerverhalten bei der Auslegung, der Inbetriebsetzung und der Einjustierung mitberücksigtigt werden muss, kann man Wärmepumpen nicht so einfach wie Waschmaschinen aussuchen und aufstellen.

[0002] Und so kommt es, dass bei Stichproben durch die Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz (FWS) auch heute noch eine ansehnliche Reihe von Fehlem gefunden wird. Im Einzelnen werden aufgelistet: 1) Rohrdämmungen mangelhaft, 2) Warmwasser-Siphon fehlt, 3) Wärmepumpe zu gross, 4) Wärmepumpe taktet häufig, 5) falsche Hydraulik, 6) Überströmventil falsch, 7) Heizgrenze zu hoch, 8) Heizkurve zu hoch, 9) Nachtabsenkung, 10) Ladestrategie Warmwasser schlecht, 11) Notheizung zu gross, 12) Anlagedokumentation fehlt.

[0003] Während die Punkte 1, 2 und 12 auch leicht durch den Eigentümer oder einen Freund kontrolliert werden können, liegen die Punkte 3 - 11 alle in der Hand des Installateurs und seiner Zulieferer. In der Folge bleiben zahlreiche Installationen deutlich hinter ihrem Potential zurück.

[0004] Jüngst wurde deshalb der Verein „WP-Cockpit“ gegründet. Er stellt ein Berechnungstool zur Verfügung, mit dessen Hilfe der Wärmepumpeneigentümer nach Eingabe von Monats- und Jahreswerten erfahren kann, ob seine Wärmepumpe gut, befriedigend oder schlecht arbeitet.

[0005] Insbesondere die günstigen und damit attraktiven Luft-Wasser-Wärmepumpen aber sind im Monatsbereich schwer zu beurteilen, weil sich die äusseren Randbedingungen - nämlich die Aussenlufttemperatur - ständig ändern. Erst die Messung über ein ganzes Jahr, die die Jahresarbeitszahl liefert, bringt deshalb Gewissheit.

[0006] Dient die Wärmepumpe nur dem Heizen, so liegt die von der Wärmepumpe erzeugte Vorlauftemperatur stets im gleichen Bereich, und nur die Schwankungen der Aussenlufttemperatur nehmen Einfluss im Jahresverlauf. Zieht man diese Vorlauftemperatur mit in die Beurteilung ein, so ist die dazu gemessene Jahresarbeitszahl aussagekräftig.

[0007] Muss aber die Wärmepumpe zusätzlich zum Heizen der Wohnung noch das Warmwasser bereiten, so wechseln sich die beiden stark unterschiedlichen Lastbedingungen während der Heizperiode ständig ab. Die Folge davon ist: In die Jahresarbeitszahl fliessen beide Lastbedingungen in gemischter Form ein. Dabei ist nicht einmal der Anteil jeder Lastbedingung am Endergebnis bekannt: wurde viel Warmwasser verbraucht und ist die Wohnung gut gedämmt, so liegt der Anteil für Warmwasser weit höher als wenn gegenteilig wenig Warmwasser in einer schlecht gedämmten Wohnung gezapft wurde. Selbst die Jahresarbeitszahl kann also in diesem recht weit verbreiteten Szenario nur einen groben Anhaltspunkt zu der Wärmepumpen-Effizienz bieten - WP-Cockpit verwendet deshalb ganz zu Recht nur das grobe Ampelsystem „rot - gelb - grün“.

Zusammenfassung der Erfindung

[0008] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen anzugeben, das diese Schwächen nicht besitzt. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 - 4.

[0009] Das Verfahren fasst verschiedene Messwerte so zusammen, dass bereits am nächsten Tag ein aussagekräftiger Wert zur Beurteilung der Effizienz ausgegeben werden kann. Das Verfahren gestattet darüber hinaus die Trennung verschiedener Verbrauchsgruppen, so dass jederzeit erkannt werden kann, ob die Wärmepumpe jede dieser Verbrauchsgruppen effizient bedient.

Kurze Beschreibung der Figuren

[0010] Die Erfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Zeichnungen dargestellt sind, näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1: Verfahrensblöcke eines ersten bevorzugten Verfahrens zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen Fig. 2: Verfahrensblöcke eines zweiten bevorzugten Verfahrens zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen Fig. 3: Verfahrensblöcke eines dritten bevorzugten Verfahrens zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen Fig. 4: Verfahrensblöcke eines vierten bevorzugten Verfahrens zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Erste bevorzugte Ausführung

[0011] Fig. 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführung des Verfahrens zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen.

[0012] Eine Wärmeenergieflussmesseinrichtung 1 bestimmt in bekannter Weise z.B. durch Ermittlung des Wasserflusses im Vorlauf der Wärmepumpe sowie der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf der Wärmepumpe den von der Wärmepumpe abgegebenen Wärmefluss. Ein Elektrizitätszähler 2 bestimmt in bekannter Weise den elektrischen Stromverbrauch der Wärmepumpe. Ein Quotientenbilder 3 bestimmt daraus in bekannter Weise durch Bildung des Quotienten aus Wärmeflusswert und Stromverbrauchswert den momentanen COP (coefficient of performance) der Wärmepumpe.

[0013] Nachgeschaltet wird ein Skalierer 5. Der Skalierer erhält den Wert der Temperaturdifferenz zwischen der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe und der Aussenlufttemperatur aus dem Temperturdifferenzblock 4. Basis für den Skalierer bildet die Nennkennlinie - COP der Wärmepumpe als Funktion der Temperaturdifferenz zwischen der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe und der Aussenlufttemperatur - einer Wärmepumpe vom gleichen Typ, wie sie in bekannter Weise auf dem Messstand ermittelt werden kann.

[0014] Unterschiedliche Verfahren können im Skalierer eingesetzt werden mit dem Ziel, Werte zur Beurteilung der Effizienz der Wärmepumpe zu erhalten, die unabhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe und der Aussenlufttemperatur sind. Beispielhaft werden hier die folgenden drei Skalierverfahren aufgezeigt: a) Aus der Nennkennlinie wird die Skalierkennlinie so berechnet, dass bei der Multiplikation von allen Werten der Nennkennlinie und der Skalierkennlinie bei jeweils gleicher Temperaturdifferenz immer der COP-Wert bei einer Normaussenlufttemperatur, z.B. -5°C, erhalten wird. Die Skalierkennlinie wird im Skalierer hinterlegt und der jeweils aktuelle COP mit dem zugehörigen Wert der Skalierkennlinie multipliziert. Arbeitet die Wärmepumpe aktuell gut, so wird der Skalierer den COP-Wert bei der Normaussenlufttemperatur ausgeben. b) Im Skalierer wird die Differenz vom aktuellen COP und dem zugehörigen Wert der Nennkennlinie gebildet. Arbeitet die Wärmepumpe aktuell gut, so wird der Skalierer den Wert Null ausgeben. c) Im Skalierer wird der Quotient aus dem aktuellen COP und dem zugehörigen Wert der Nennkennlinie gebildet. Arbeitet die Wärmepumpe aktuell gut, so wird der Skalierer den Wert 1 ausgeben.

[0015] Im Prinzip ist damit die Beurteilung der Wärmepumpe bereits möglich. Eine Wärmepumpe jedoch muss nach dem Anlaufen erst den richtigen Arbeitspunkt finden - sie läuft deshalb in aller Regel mit geringerer Effizienz an. Die Ergebniswerte des Skalierers werden deshalb über einen sinnvoll gewählten Zeitraum, z.B. 24h, gemittelt. Zu dem Zwecke werden sie dem Summenbildner 6 zugeführt.

[0016] Am Ende des Mittelwertzeitraumes übernimmt der Mittelwertbilder 7 die Summe und die Anzahl der summierten Werte und bestimmt daraus durch Division den Mittelwert. Der Wert wird über die Anzeige 8 abgebildet und der Summenbilder 6 wird zurückgesetzt.

[0017] Weil alle Werte auf die gleiche Weise skaliert worden sind, ist auch die Beurteilung der Effizienz der Wärmepumpe leicht: Der angezeigte Wert sollte nicht wesentlich von dem oben genannten zugehörigen Zielwert abweichen. Weicht er deutlich ab, so kann das z.B. verschiedene Gründe haben: – Die Wärmepumpe hat einen Defekt. – Die Regelung der Wärmepumpe hat zahlreiche Starts verlangt, also die Wärmepumpe stärkt getaktet. – Es liegt ein Kurzschluss zwischen Zuluft und Abluft der Wärmepumpe vor, so dass die Wärmepumpe eine tiefere Zulufttemperatur als die Lufttemperatur der Umgebung erhält.

[0018] Selbstverständlich können die Mittelwerte auch gleitend gebildet werden, z.B. indem stets der Quotient aus der aktuellen Summe und der Anzahl der Summanden gebildet wird. Der Tagesmittelwert ist dann der Wert am Ende des Tages.

[0019] Zudem können die Tagesmittelwerte weiter verarbeitet werden, indem sie z.B. einer Vergleichseinrichtung zugeführt werden, die bei grosser Abweichung einen Alarm auslöst.

[0020] Die Länge der Messperiode sowie die Messzeitintervalle können weitgehend frei gewählt werden. Kürzere Messperioden führen dabei zu grösseren Fehlerabweichungen, längere zu weniger schnellen Antworten.

[0021] Ein Verfahren nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung ermittelt aus der erzeugten Wärmemenge, der verbrauchten elektrischen Energie und der Temperaturdifferenz zwischen der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe und der Aussenlufttemperatur einen Mittelwert, der bereits nach kurzer Zeit die sichere Beurteilung der Wärmepumpeneffizienz ermöglicht.

Zweite bevorzugte Ausführung

[0022] Fig. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung.

[0023] Zusätzlich zu den in einer ersten bevorzugten Ausführung beschriebenen Blöcken wird ein Aussenlufttemperaturermittler 9 eingesetzt. Im Skalierer 5a ist ein Kennliniefeld hinterlegt, das die Abhängigkeit des eingesetzten Wärmepumpentyps sowohl von der Temperaturdifferenz zwischen der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe und der Aussenlufttemperatur als auch von der Aussentemperatur selbst wiedergibt. Alle anderen Blöcke üben die gleiche Funktion wie oben beschrieben aus. In der Folge wird auch die Abhängigkeit des COP der Wärmepumpe von der Aussenlufttemperatur in die Skalierung miteinbezogen.

[0024] Ein Verfahren nach einer zweiten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung bezieht die Abhängigkeit der Skalierung von der Aussenlufttemperatur mit ein. Es führt somit zu erhöhter Präzision der ermittelten Mittelwerte.

Dritte bevorzugte Ausführung

[0025] Fig. 3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung.

[0026] Eine dritte bevorzugte Ausführung umfasst zwei gleiche Messeinrichtungen, deren Summenbildner 6 und 16 jeweils Enable-Signale der Blöcke 11 und 12 erhalten. Block 11 gibt die Freigabe an Summenbildner 6 beispielsweise dann, wenn der Warmwasser-Boiler geheizt wird, Block 12 gibt die Freigabe an Block 16, wenn die Heizung Wärme erhält. In der Folge ermitteln die Messeinrichtungen getrennte Werte für die Warmwasseraufbereitung und für die Heizung.

[0027] Ein Verfahren nach einer dritten bevorzugten Ausführung ermittelt die Werte für mehrere verschiedene Wärmesenken getrennt. Dadurch ist eine getrennte Beurteilung der unterschiedlichen Aufgaben der Wärmepumpe möglich.

Vierte bevorzugte Ausführung

[0028] Fig. 4 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind zwei Summenbildner 6 und 16 mit den zugehörigen Auswertekanälen 7, 8 und 17, 18 und Enable-Blöcken 11, 12. Die Ermittlung der skalierten Werte aber wird für beide Kanäle gemeinsam geführt über die Blöcke 1, 2, 3, 4, 5a und 9.

[0029] Ein Verfahren nach einer vierten bevorzugten Ausführung reduziert den Auswerteaufwand. Es ist dadurch in besonderer Weise wirtschaftlich.

[0030] Ein Verfahren zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen nach einer der Ausführungen 1 - 4 kann vorteilhaft in neu entwickelten Wärmepumpenheizsystemen realisiert werden. Die Messwerte, die es benötigt, können aber auch in jeder bestehenden Anlage ermittelt werden, und auch die Signale für die Enable-Blöcke 11 und 12 werden sich in aller Regel leicht z.B. von dem Boiler-Umschaltventil abgreifen lassen. Ein Messsytem nach einem der Verfahren 1 - 4 kann deshalb auch nachträglich an jede Wärmepumpe angeschlossen werden.

[0031] Alle Teilschritte des Verfahrens wurden am Beispiel einer Wärmepumpe beschrieben. Sie können aber nicht nur für einzelne Wärmepumpen angewendet werden, sondern ebenso für Kaskaden aus zwei oder mehreren Wärmepumpen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Effizienz von Wärmepumpen oder Wärmepumpenkaskaden, dadurch gekennzeichnet dass unter Verwendung eines Mess-, Skalier- und Mittelungssystems in vordefinierten Zeitabschnitten der coefficient-of-performance-Wert, im Folgenden COP-Wert genannt, aus Messwerten der Wärmeabgabe und der elektrischen Stromaufnahme der Wärmepumpe oder Wärmepumpenkaskade nach der Gleichung COP-Wert = Wärmeabgabe / Stromaufnahme ermittelt wird, der COP-Wert so skaliert wird, dass der Ergebniswert bei ordnungsgemässem Dauerbetrieb der Wärmepumpe unabhängig wird von der Differenz aus der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe und der Aussenlufttemperatur und die Ergebniswerte über eine vordefinierte Zeitspanne gemittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Skalierung zusätzlich zu der Differenz aus der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe und der Aussenlufttemperatur der Wert der Aussenlufttemperatur selbst mitberücksichtigt wird, sodass eine Abhängigkeit des auf der genannten Differenz basierdenden Skalierfaktors vom Wert der Aussentemperatur selbst mit einfliesst.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnt, dass für verschiedene Betriebsmodi der Wärmepumpe oder Wärmepumpenkaskade mindestens zwei getrennte Messkanäle verwendet werden, wobei die Mittelwertbildung jedes Kanals nur in einem der Betriebsmodi der Wärmepumpe oder Wärmepumpenkaskade, wie z.B. Bodenbeheizung und Boilererwärmung, freigeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die skalierten COP-Werte durch einen gemeinsamen Zweig bereitgestellt und anschliessend getrennt weiterverarbeitet werden.