Bei unserer Anlage wurde eine hydraulische Weiche verbaut. Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass unabhängig von der Stellung der Regelventile der Fußbodenheizung immer ein konstanter Wasservolumenstrom durch die Wärmepumpe sichergestellt werden kann. Nachteilig ist jedoch die komplexere Hydraulik. Bei uns konnte keine Einstellung der Pumpen gefunden werden, so dass die Weiche vollständig hydraulisch abgeglichen werden konnte. Es stellte sich immer eine geringe Temperaturdifferenz von etwa 1,2K zwischen dem Rücklauf der Wärmepumpe und dem Rücklauf der Fußbodenheizung ein. (hierzu später mehr bei den Optimierungen)
Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung eine gewisse Kälteleistung. Diese setzt sich aus dem Luftvolumenstrom der durch den Ventilator erzeugt wird und der Temperaturdifferenz über dem Verdampfer zusammen. Entscheidend für den Primärseitigen Arbeitspunkt ist die mittlere Lufttemperatur über dem Verdampfer - in erster Näherung der Mittelwert zwischen Zu - und Abluft. (Bei diesen Temperaturdifferenzen rentiert sich die logarithmische Differenz nicht).
Zu der von der Umgebung entzogenen Energie steht als Heizleistung noch zusätzlich die vom Verdichter elektrisch eingebrachte Leistung zur Verfügung. Auf der Sekundärseite zeigt sich diese Leistung in der Temperaturspreizung zwischen WP_VL und WP_RL bei gegebenen Durchfluss. Wird der Durchfluss reduziert steigt die Spreizung; wird der Durchfluss erhöht sinkt diese entsprechend.
Die beheizten Räume verlangen - je nach Außentemperatur - nach einer gewissen Heizleistung um warm zu bleiben. Analog zur Verflüssigerseite der Wärmepumpe ergibt sich die Rücklauftemperatur aus der Fußbodenheizung bei einer gegebenen Heizlast aus dem Durchfluss durch die Kreise. Steigt die Heizlast so steigt auch die Spreizung der Fußbodenheizung. Kann der Durchfluss durch die Kreise vergrößert werden (-> Pumpenleistung) so sinkt die Spreizung.
Für die an den Raum abgegebene Leistung ist die mittlere Heizwasserübertemperatur ausschlaggebend. Also Mittelwert aus FBH_VL und FBH_RL abzüglich der gewünschten Raumtemperatur. Je schlechter der Wärmeübergang zwischen Heizungswasser und Raum ist desto höher muss diese Temperatur sein.
Taktoptimierung
Bei konventionellen "On/Off" Wärmepumpen werden die benötigten Temperaturen in Heiztakten erzeugt. Jeder Anlauf der Wärmepumpe beeinträchtigt zum einen die Lebensdauer sowie die Effizienz ("Hochlauf" des Kältekreises).
Bei Rücklaufgeregelten Wärmepumpen hängt die Takthäufigkeit drastisch mit der durch die Fußbodenheizung fließenden Wassermenge zusammen. Wird mehr Wasser umgewälzt so kühlt dieses pro Durchlauf weniger ab.
In unerem Fall hat sich bei der Heizkreispumpe (Alpha2 - 6m) die Einstellung CP1 - 22W bewährt. Bei ähnlichen Außentemperaturen startete die Wärmepumpe etwa 10 mal pro Tag und lief durchschnittlich 50min. (Betriebsart Auto ~11W -> 30Starts!).
Darüber hinaus lässt sich die Einschalthäufigkeit auch über die Hysterese im Heizkreis beeinflussen. Hierbei muss unterschieden werden wie die jeweiligen Hersteller diesen Wert definieren. In unserem Fall bewirkt eine Einstellung von 2°C Hysterese, dass 2 Grad unterhalb der Solltemperatur eingeschaltet, und 2°C darüber abgeschaltet wird. Pro Takt wird also ein Hub von 2*Hysterese = 4°C vorgenommen. Je größer die Hysterese desto weniger Takte desto höher jedoch auch die produzierte Vorlauftemperatur(Effizienz sinkt da auch die mittlere Temperatur entsprechend höher ist).
Drehzahloptimierung des Ventilators
Die bei uns verbaute Maschine bietet die Möglichkeit die Ventilatordrehzahl zu verstellen. So drängte sich nach etlichen Stunden Recherche im Netz folgende Überlegung auf:
Ist es nicht effizienter den Ventilator langsamer laufen zu lassen?
Wie ist nun die Wirkungskette?
Ventilatordrehzahl verringern
- geförderter Luftvolumenstrom nimmt ab (linear)
- Spreizung über Verdampfer steigt
- bei gleicher Ansaugtemperatur sinkt die mittlere Quellentemperatur sofern die Kälteleistung gleich bleiben würde
- der Verflüssigungsdruck sinkt. Die Stromaufnahme des Verdichters nimmt zu (wenn Senkentemperatur konstant bleiben würde)
- mit sinkender Quellentemperatur ändert sich die Dichte des Kältemittels; die Entzugsleistung nimmt ab (Spreizung Luft sinkt.... usw)
- mit sinkender Entzugsleistung wird die Wasserseitige Spreizung kleiner trotz steigender Verdichterleistung
- Es müsste eine minimal höhere Temperaturvorgabe gefahren werden als bisher.
ABER: Die Leistungsaufnahme des Ventilators nimmt in DRITTER Ordnung zur Drehzahl ab
Berechnet wurde alles in einem xls Sheet unter den Annahmen:
- Ventilatorleistungsaufnahme ca 180W bei 3200m³/h (entspricht dem Verbauten Ventilator von Papst)
- Verdichterleistung etwa 2,2kW bei 2°C/35°C
- Verringerung der Kälteleistung um 3% pro K niedriger Quellentemperatur
- Erhöhung der Stromaufnahme des Verdichters um 2,5% pro K Quellentemperatur
- Einfluss der Höheren VL Temperatur erhöht Stromaufnahme um 2,5% pro K VL_Temp.
Unterm Strich ergibt sich eine maximale theoretische Effizienzsteigerung über verschiedenste Außentemperaturen von <0,25% bezogen auf die Nenndrehzahl erreicht werden kann. Wird die Drehzahl zu stark erhöht oder gesenkt bricht die Leistungszahl um 3% - 6% ein.
Pufferoptimierungen
Leider ist es in vielen Versuchen nicht gelungen die Eingangs erwähnte Temperaturdifferenz von etwa 1,2K zwischen WP_RL und FBH_RL zu eliminieren. Der vom Hersteller geforderte minimale Volumenstrom von 16l/min sorgt für eine zu starke Verwirbelung/Vermischung im Puffer. Die Wärmepumpe kann zwar auch mit einem geringeren Durchfluss betrieben werden (Test mit 12l/min bei 18°C Außentemperatur). Eine zusätzliche Erhöhung der Durchflussmenge durch die Fußbodenheizung Heizkreispumpe auf CP2 - 41W brachte noch eine Verbesserung von ~1,2K auf 0,9K. Aktuell scheint es so zu sein, dass die zusätzlichen 20W über 24h im Heizbetrieb der Umwälzpumpe nicht durch die Temperaturdifferenz und die daraus resultierende Effizienzsteigerung des Kompressors kompensiert werden können
Bardzo ciekawie to zosatło opisane.
AntwortenLöschenNaprawdę bardzo fajnie napisano. Jestem pod wrażeniem.
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