Heizung, Lüftung, Weiße Ware

Aufgrund der EU-Gebäuderichtlinie 2010 für energieeffiziente Gebäude (EPBD) werden ab 2020 für Neubauten im Bereich der Heizung, Lüftung und Klimatechnik neue innovative Konzepte und Produkte benötigt, die den Bedürfnissen von Niedrigstenergiegebäuden gerecht werden. Hierfür gibt es bereits seit den 90er Jahren Entwicklungen von Wärmepumpenkompaktsystemen, bei denen die Abluft des Gebäudes als Wärmequelle dient. Ein Prototyp eines solchen Systems für Passivhäuser wurde bereits 1998 vorgestellt [1, 2].

Da in solch gut gedämmten Gebäuden auch die Gebäudekühlung eine zusehends größere Rolle spielt, werden nicht nur für die Bereitstellung der Energie für die Raumheizung und Warmwasser, sondern auch für die Gebäudekühlung neue Lösungen benötigt. Auch hierfür existieren bereits erste Ansätze, bei denen über einen an die Wärmepumpe angeschlossenen Kältespeicher ein Kühlregister im Zuluftkanal versorgt wird [3].

Darüber hinaus spielt in solch energieeffizienten Gebäuden der Bedarf an Energie für die Raumheizung (Heizwärmebedarf kleiner als 15 kWh/(m²a) [4]) gegenüber der benötigten Energie für Warmwasser und zum Antrieb elektrischer Geräte eine zusehends untergeordnete Rolle. Aus diesem Grund ist die Entwicklung eines Systems, bei dem der elektrische Verbrauch der Geräte der Weißen Ware direkt reduziert werden kann, von großem Interesse. Auch bei Haushaltsgeräten mit höchster Energieeffizienz, wie Waschmaschine, Spülmaschine, Wäschetrockner, Kühlschrank und Gefrierschrank, wird die thermische Energie für gewöhnlich dezentral im Gerät erzeugt. Daher wird in dieser Arbeit unter dem Begriff „energiBus“ ein neues multifunktionales Wärmepumpen-Systemkonzept vorgestellt, bei dem Haushaltsgeräte sowohl als Wärme- als auch als Kälteabnehmer mit dem Heizungs- und Lüftungssystem des Gebäudes gekoppelt betrieben werden. Durch die Anbindung der Haushaltsgeräte an den energiBus kann die normalerweise in den Geräten erzeugte Wärme bzw. Kälte über das installierte Speichersystem und die Wärmepumpe zur Verfügung gestellt werden, wodurch sich bei den Geräten ein hohes Einsparpotential an elektrischer Energie ergibt, welches sich jedoch durch den erhöhten Verbrauch der Wärmepumpe wieder etwas reduziert.

Neben der Energieeinsparung bei den Haushaltgeräten bietet ein solch integriertes Systemkonzept den Vorteil der gleichzeitigen Kälte- und Wärmenutzung bei Betrieb der Wärmepumpe, wodurch deren Energieeffizienz steigt.

Der Anschluss von Waschmaschine und Geschirrspüler an die Heizzentrale des Gebäudes ist dabei kein neuer Gedanke. So wird beispielsweise in sogenannten Gaswärmezentren [5, 6] über einen Warmwasserspeicher, der von einer zentralen Wärmequelle versorgt wird, der Warmwasserbedarf von beiden Geräten gedeckt. Bansal et al. [7, 8] haben bereits untersucht, dass das Einsparpotential eines Wäschetrockners bei ca. 11 % liegt, wenn der interne Heizstab durch einen Luft-Wasser-Wärmetauscher ersetzt wird. Auch der Gedanke, die Abwärme eines Backofens zu nutzen, wurde bereits von verschiedenen Herstellern getestet und wird auch in der vorliegenden Arbeit in Betracht gezogen. [5]

Systemverbesserungen an Kühlschränken und Gefrierschränken durch Ersetzen des Kältekreislaufs werden derzeit erforscht. [9] Die Anbindung des Kühlschranks und des Gefrierschranks an die Quellenseite einer Wärmepumpe und damit die externe Bereitstellung von Kälteenergie ist dagegen ein neuer Gedanke und Bestandteil des energiBus-Konzeptes.

In dieser Arbeit werden neben dem Systemkonzept und den Anbindungsmöglichkeiten der einzelnen Haushaltsgeräte auch erste Prognosen für das Einsparpotential vorgestellt. Diese theoretischen Überlegungen werden im weiteren Projektverlauf mit Hilfe von Laborexperimenten und Simulationen überprüft und bestätigt. Anpassungen des hier vorgestellten Systemkonzeptes sind dabei durchaus denkbar. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist im jetzigen Stadium des Forschungsprojektes noch nicht sinnvoll, da die Einsparungen bei den Komponenten der Haushaltsgeräte noch nicht abgeschätzt werden können.

Systemkonzept

Zentrales Element des energiBus-Systems ist eine Sole/Wasser-Wärmepumpe mit einer 4-gliedrigen Speicherkaskade. Als Wärmequelle dient die Abluft des Gebäudes nach der installierten Wärme-rückgewinnungsanlage (WRG) und die bereitzustellende Kälte für die Haushaltsgeräte. Da der Energieinhalt der Abluft nach der WRG teilweise nicht ausreicht, um die Wärmepumpe versorgen zu können, kann Frischluft der Abluft je nach Bedarf beigemischt werden, um durch Erhöhung des Volumenstroms die Wärmequellenleistung ausreichend hoch zu halten. Ohne Beimischung der Frischluft würde die Lufttemperatur ansonsten bei niedrigen Außentemperaturen nach Wärmeübertrager 1 zu stark absinken.

Wie in Abbildung 1 zu erkennen, werden über die Speicher die Heizung, die Trinkwarmwasserstation (DHW) und die Haushaltsgeräte mit Wärme bzw. Kälte versorgt. Für die Gebäudekühlung wird in einem Kühlregister im Zuluftkanal der Luftstrom vor Eintritt in die Räume mit kaltem Fluid aus dem Verdampfer der Wärmepumpe gekühlt. Als Heizungssystem können sowohl eine Luftheizung als auch statische Heizflächen verwendet werden. Bei Verwendung einer Luftheizung ist neben dem Kühlregister ein Heizregister im Zuluftkanal für die Erwärmung des Luftstroms installiert.

Die zentrale Wärmepumpe des Systems arbeitet auf verschiedenen Temperaturniveaus, die von den unter­schiedlichen Verbrauchern auf der warmen bzw. der kalten Seite gefordert werden, wobei immer versucht wird, einen möglichst effizienten Betriebspunkt anzufahren. Aus diesem Grund sind auf beiden Seiten der Wärme­pumpe regelbare Ventile installiert, die je nach Bedarf geschaltet werden können. Am Kondensatoraustritt wird das warme Fluid über ein 3-Wege-Ventil entweder in einen der drei Wärmespeicher (WS_1-3) geleitet oder bei Wärmeüberschuss über einen im Abluftkanal installierten Wärmeübertrager (WÜ₂) geführt. Am Verdampferaustritt kann das kalte Fluid über ein 4-Wege-Ventil entweder in den Abluftwärmeübertrager (WÜ₁), in das Kühlregister im Zuluftstrom oder in den Kältespeicher (KS) geleitet werden.

Speichersystem

Die vier Speicher des Systems unterscheiden sich in Größe und Temperaturniveau, wobei drei Wärmespeicher (WS_1-3) und ein Kältespeicher (KS) mit relativ kleinem Speichervolumen (in der Größenordnung 50-150 l) installiert werden, damit die Speicher und damit das Gesamtsystem kompakt bleiben.

Der erste Wärmespeicher (WS₁) wird für die Bereitstellung der Heizwärme genutzt, wobei das Temperaturniveau gemäß einer Heizkurve von der Außentemperatur abhängt, damit die Wärmepumpe heizungsseitig bei vorzugweise niedrigen Temperaturen arbeiten kann. In diesem Fall variiert die Vorlauftemperatur der Wärme­pumpe bei Beladung des Speichers in einem Bereich von 20-45 °C, wenn Heizbedarf vorhanden ist. Der zweite Wärmespeicher (WS₂) ist direkt an die Trinkwarmwasserstation angeschlossen, wobei ein Temperaturniveau von 50 °C erforderlich ist, um das Trinkwarmwasser geeignet zu erwärmen. Der dritte kleinere Warmwasserspeicher (WS₃) wird für die Bereitstellung der von den Haushaltsgeräten (Waschmaschine, Geschirrspüler und warme Seite des Wäschetrockners) benötigten Wärme auf einem Temperaturniveau von 60-65 °C genutzt.

Auf der Quellenseite der Wärmepumpe wird der Kältespeicher installiert, der auf einem Temperaturniveau von 3 °C gehalten werden soll. Er dient der Versorgung der Kälteabnehmer (Kühlschrank, Gefrierschrank, kalte Seite des Trockners) und sollte möglichst nur dann geladen werden, wenn gleichzeitig Wärmebedarf vorliegt.

Der Wärmespeicher WS₁ und der Kältespeicher werden dabei vorrangig zum Ablegen von Energie auf passendem Temperaturniveau benötigt, wohingegen die Wärmespeicher WS₂ und WS₃ auch zur Bereitstellung von ausreichend Wärmeleistung dienen, wenn hohe Lasten anliegen.

Regelungskonzept

Das Regelungskonzept für das System sieht vor, die verschiedenen Speicher bedarfsgerecht zu laden und die Kälte bzw. Wärme den entsprechenden Abnehmern bereitzustellen. Um dabei Synergieeffekte zu nutzen, werden verschiedene Operationsmodi festgelegt, die je nach Bedarf das Temperaturniveau der Wärmepumpe bestimmen und zwischen den verschiedenen Senken und Quellen der warmen und der kalten Seite umschalten, sodass möglichst hohe COP-Werte erzielt werden. Da der COP stark von der anliegenden Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenke und Wärmequelle abhängt, wird immer die kleinstmögliche Temperaturdifferenz angestrebt.

Um die Effizienz der Wärmepumpe zusätzlich zu steigern und die Überschüsse an produzierter Kälte und Wärme so gering wie möglich zu halten, sollten Kälte und Wärme möglichst gleichzeitig genutzt werden. Hierfür wird bei Wärmeerzeugung überprüft, ob der Kältespeicher geladen werden kann, um dementsprechend das Temperaturniveau am Verdampfereintritt anzupassen. Die Regelung der Verdampfertemperatur erfolgt über das elektronische Expansionsventil der Wärmepumpe. Im Kühlfall wird analog überprüft, ob einer der drei Wärmespeicher geladen werden kann, um entsprechend das Temperaturniveau am Kondensatoreintritt anzupassen.

Zusätzlich müssen Strategien entwickelt werden, mit denen die Gleichzeitigkeit für Kälte- und Wärmenutzung weiter optimiert werden kann, z.B. durch zeitliche Verschiebung der Beladungszeitpunkte für die Speicherkaskade und die Gebäudekühlung.

Anschlussmöglichkeiten der Haushaltsgeräte

Für eine Effizienzsteigerung der zentralen Wärmepumpe müssen sowohl Wärme- als auch Kälteabnehmer im System vorhanden sein. Aus Gleichung 1 geht hervor, dass der COP des Systems mit erhöhter gleichzeitiger Nutzung von Wärme  und Kälte  gesteigert werden kann.

Die Anbindung von Wasch- und Spülmaschine an die zentrale Warmwasserversorgung eines Hauses ist derzeit bereits Stand der Technik. [5, 6] Aus diesem Grund müssen an diesen Geräten keine konstruktiven Veränderungen für die Anbindung an den energiBus vorgenommen werden. Die zentrale Bereitstellung von Kälte hingegen ist ein neuer Gedanke, wodurch Neuent­wicklungen bzw. konstruktive Veränderungen an den Geräten notwendig werden.

Waschmaschine und Geschirrspüler werden bei der Ankopplung an den energiBus über die Trinkwarmwasserstation mit Wasser auf dem für das entsprechende Programm erforderlichen Temperaturniveau versorgt, welches über die Trinkwarmwasserstation direkt eingestellt werden kann. Dabei muss untersucht werden, ob es möglich ist, die beiden Geräte gleichzeitig zu betreiben, da nur eine begrenzte Heizleistung der Trinkwarmwasserstation zur Verfügung steht und die Wassertemperatur am Einlauf der Geräte ausreichend hoch sein muss. Durch die Versorgung dieser Geräte über die Trinkwarmwasserstation sind parallele Trinkwarmwasserzapfungen nicht möglich. Hier müssen aus Komfortgründen Regelstrategien entwickelt werden, die primär den Trinkwarmwasserbedarf der Nutzer sichern.

Da die warme Seite des Wäschetrockners direkt an den Warmwasserspeicher für die Haushaltsgeräte ange­schlossen ist, kann dieser, ebenfalls aus Leistungsgründen, voraussichtlich nicht zeitgleich betrieben werden.

Die Kälteabnehmer im System werden direkt an den Kältespeicher angeschlossen. Inwieweit hier ein gleichzeitiger Betrieb möglich ist und welche Regelstrategien erforderlich sind, wird im weiteren Projektverlauf näher untersucht.

Bei den ersten Prognosen wurden ausnahmslos Haushaltsgeräte mit höchster Energieeffizienz betrachtet, wobei sich, wie in Abbildung 2 zusammenfassend dargestellt, dennoch hohe Einsparpotentiale beim elektrischen Gesamtenergieverbrauch der einzelnen Haushaltsgeräte zeigen. Diese Energieeinsparung reduziert sich wieder durch den steigenden Energieverbrauch der Wärmepumpe, über die die Wärme- bzw. Kälteenergie jedoch effizienter bereitgestellt werden kann.

Neben den in Abbildung 2 aufgeführten Geräten können auch weitere Geräte an den energiBus angeschlossen werden. Als weitere Wärmeabnehmer können z.B. eine Wärmeschublade oder ein Kaffeevollautomat betrachtet werden. Auch wärmeliefernde Komponenten (z.B. Backofen, Induktionskochfeld) sind denkbar für eine Integration in das System, wobei die Abwärme der Haushaltsgeräte für die Warmwasserbereitung und Raumheizung effizient genutzt werden kann. Da bei diesen Geräten allerdings beträchtliche konstruktive Änderungen bei vergleichsweise geringem Nutzen zu erwarten sind, sollen diese Geräte im weiteren Projektverlauf nur in Rechnersimulationen analysiert werden.

Waschmaschine

Bei der Ankopplung der Waschmaschine an den energiBus wird das zugeführte Frischwasser mit Hilfe der an den Warmwasserspeicher angeschlossenen Trinkwarmwasserstation auf Solltemperatur (bis zu 60 °C) erwärmt und fließt über den Warmwasseranschluss in das Gerät. Betrachtet wird hier ein bereits verfügbares Gerät mit Warmwasseranschluss, sodass keine konstruktiven Änderungen am Gerät erforderlich sind.

Für eine Abschätzung des Einsparpotentials wird angenommen, dass die im Gerät elektrisch erzeugte Wärme komplett über die Trinkwarmwasserstation zugeführt werden kann, ohne dass im Gerät nachgeheizt werden muss. In Tabelle 1 sind die vom Hersteller angegebenen elektrischen Verbräuche und thermischen Verluste zusammengefasst und mit denen des energiBus-Systems verglichen. Ein Unterschied besteht dabei nur beim elektrischen Verbrauch der Wärmebereitstellung, da der Verbrauch für die Elektronik und den Trommelantrieb sowie die thermischen Verluste unverändert bleiben. Die hier angegebenen Verbrauchsdaten können je nach Umgebungsbedingungen, wie z.B. Wasserdruck, Wasserhärte, Wäscheart, Wäschemenge oder Schwankungen in der Netzspannung, von den angegebenen Werten abweichen.

Für die Abschätzung des Einsparpotentials werden insgesamt 220 Waschzyklen pro Jahr angenommen, die sich wie folgt auf die oben genannten Waschprogramme aufteilen:

94 Zyklen: Baumwolle 60 °C eco, volle Beladung

63 Zyklen: Baumwolle 60 °C eco, halbe Beladung

63 Zyklen: Baumwolle 40 °C eco, halbe Beladung

Damit ergibt sich geräteseitig ein jährliches Einsparpotential von 106 kWh_el/a. Für die Bereitstellung der benötigten Wärme verbraucht die Wärmepumpe 24 kWh_el/a.

Um den Wärmebedarf, der von der zentralen Wärmepumpe bereitgestellt werden muss, abzuschätzen, wird – ebenfalls nach Herstellerangaben – der für jeden Waschzyklus benötigte Warmwasserbedarf betrachtet.

Im weiteren Projektverlauf soll die real erzielbare Einsparung am Prüfstand untersucht werden, um z.B. folgende Fragen zu beantworten.

Reicht die Temperatur des von der Trinkwarmwasserstation gelieferten Warmwassers aus, um einen Waschzyklus ohne Nachheizen im Gerät durchzuführen?

Wie verändert sich das Einsparpotential bei verringerten Einlauftemperaturen und dadurch bedingtem internen Nachheizen?

Welche positiven und negativen Effekte hat eine reduzierte Temperatur im Wärmespeicher WS₃?

Verkürzt sich die Waschzeit durch den Wegfall der Aufheizzeit, so dass sich zusätzlich der elektrische Verbrauch für Elektronik und Antrieb verringert?

Geschirrspüler

Der Geschirrspüler soll analog zur Waschmaschine an den energiBus angeschlossen werden. Auch hier wird ein bereits vorhandenes Gerät mit Warmwasseranschluss verwendet, so dass keine konstruktiven Änderungen am Gerät erforderlich sind. Tabelle 2 sind die vom Hersteller angegebenen Verbräuche und thermischen Verluste und das daraus resultierende Einsparpotential zu entnehmen. Pro Spülzyklus werden vier Wasserwechsel mit einer Zieltemperatur von 47-65 °C durchgeführt.

Auch hier wird für die Abschätzung des Wärmebedarfs der Warmwasserbedarf für das Programm den Herstellerunterlagen entnommen. Bei insgesamt 280 Spülzyklen pro Jahr ergibt sich geräteseitig ein Einsparpotential von 200 kWh_el/a. Der elektrische Verbrauch der Wärmepumpe beträgt dabei 46 kWh_el/a.

Für genauere Analysen der verschiedenen Programme müssen im Labor das reale Einsparpotential und die vor­herrschenden Volumenströme untersucht werden. Auch hier sind Parameterstudien zu variablen Einlauftemperaturen geplant.

Wärmepumpentrockner

Auch wenn die im Wäschetrockner verbaute Wärmepumpe bereits optimal für den Trocknerbetrieb ausgelegt ist, soll untersucht werden, ob die zentrale Wärmepumpe die erforderlichen Energieströme effizienter bereitstellen kann. Hierfür wird die interne Wärmepumpe ausgebaut und die benötigte Wärme und Kälte direkt über die Speicher bereitgestellt, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Durch den Wegfall der internen Wärmepumpe bei Anschluss an den energiBus entfällt geräteseitig der elektrische Verbrauch für die Kälte- und Wärmebereitstellung, siehe Tabelle 3.

Die für ein Jahr veranschlagten 160 Trockenzyklen (69 x Nennbeladung, 91 x halbe Befüllung) ergeben geräteseitig ein Einsparpotential von 145 kWh_el/a. Die Bereitstellung der Wärme-/ Kälteenergie wird durch die zentrale Wärmepumpe übernommen, die hierfür 128 kWh_el/a aufwenden muss.

Um den Wärme-/ Kältebedarf, der über die Speicher bereitgestellt werden muss, ermitteln zu können, wurden die benötigten Temperaturniveaus und Volumenströme im Gerät abgeschätzt. Diese müssen bei den Untersuchungen im Labor noch genauer ermittelt werden, um die zu installierenden Wärmeübertrager auslegen und den Wäschetrockner an den energiBus anschließen zu können. Nach Umbau und Anschluss des Geräts kann das reale Einsparpotential gemessen werden. Des Weiteren muss untersucht werden, wie sich die vom Gerät an den Raum abgegebene Wärme verändert, um den veränderten Kühl- und Heizbedarf des Gebäudes in den Systembetrachtungen berücksichtigen zu können.

Kühlschrank

Bei der Anbindung des Kühlschranks an den energiBus wird nach ersten Analysen angenommen, dass das Temperaturniveau im Kältespeicher (ca. 3 °C) ausreicht, um den wärmegedämmten Geräteinnenraum auf eine Temperatur von ca. 5 °C zu kühlen. Dadurch kann auf den internen Kältekreislauf verzichtet werden. Der im EU-Datenblatt des untersuchten Kühlschranks angegebene Jahresverbrauch beträgt 83 kWh_el/a, wobei der vom Hersteller abgeschätzte Energieverbrauch für Elektronik etc. ohne Kompressor 16 kWh_el/a beträgt. Damit ergibt sich geräteseitig ein Einsparpotential von 67 kWh_el/a. Abbildung 4 verdeutlicht die Energieflüsse am Kühlschrank wobei eine mittlere Leistungszahl des Kühlschranks (EER – Energy Efficiency Ratio) von 1,3 angenommen wird.

Für die Bereitstellung von 87 kWh_th/a an Kälteenergie verbraucht die Wärmepumpe 26 kWh_el/a. Der Kühlschrank kann über den internen Wärmeübertrager, ggf. unterstützt durch den internen Ventilator, an den energiBus angeschlossen werden (siehe Abbildung 5).

In der Abbildung wird deutlich, dass die normalerweise an den Aufstellraum abgegebene Abwärme (170 kWh_th/a) durch den Anschluss an den energiBus nun teilweise in den Kältespeicher übertragen wird (87 kWh_th/a). Da dieser quellenseitig an die Wärmepumpe gekoppelt ist, kann die dem Kühlschrank entzogene Wärme über die Wärme­pumpe wieder auf einem nutzbaren Temperaturniveau bereitgestellt werden. Dadurch verändern sich Kühl- und Heizbedarf des Gebäudes, was bei der Systembetrachtung und den Gebäudesimulationen berücksichtigt werden muss.

Im weiteren Projektverlauf muss untersucht werden, ob das Temperaturniveau im Kältespeicher und die Dimensionierung des internen Wärmeübertragers ausreichen, um die gewünschten Temperaturen im Geräteinnenraum zu erreichen. Dabei müssen die vom Hersteller angegebenen Temperaturen in den verschiedenen Fächern des Kühlschranks eingehalten werden.

Gefrierschrank

Im Vergleich zum Anschluss des Kühlschranks an den energiBus kann bei dem Gefrierschrank nicht auf den internen Kältekreislauf verzichtet werden, da das Temperaturniveau im Kältespeicher nicht ausreicht, um eine Temperatur von -18 °C im Geräteinnenraum zu erreichen. Eine zentrale Kältebereitstellung über die Wärmepumpe wäre zwar theoretisch möglich, wird aber technisch und ökonomisch als nicht sinnvoll eingeschätzt. Der Anschluss des Gefrierschranks an den energiBus sieht derzeit vor, den geräteseitigen Kondensator gegen das Temperaturniveau des Kältespeichers (3 °C) arbeiten zu lassen, wie in Abbildung 6 dargestellt.

Da die Effizienz eines Kältekreislaufs stark von dem erforderlichen Temperaturniveau der Wärmesenke  und der Wärmequelle  sowie dem Gütegrad des Prozesses  abhängig ist, siehe Gleichung 2, kann der elektrische Energieverbrauch des geräteinternen Kompressors reduziert werden. Dazu kann der Kondensationsdruck am Kondensatoreintritt herabgesenkt werden, da dieser nicht gegen die im allgemeinen höheren und veränderlichen Temperaturen im Aufstellraum arbeiten muss. Außerdem ermöglichen konstante Zustandsbedingungen eine effiziente Auslegung der Komponenten für den gewählten Betriebspunkt.

Der elektrische Gesamtverbrauch des Gefrierschranks beträgt nach Herstellerangaben 151 kWh_el/a. Die am Gefrierschrank vorhandenen Energieflüsse können Abbildung 7 entnommen werden.

 Um das Einsparpotential durch Anbindung des Gefrierschranks an den energiBus abschätzen zu können, wird die durch die Absenkung der Senkentemperatur verbesserte Leistungszahl ermittelt. Bei Annahme eines konstanten Gütegrades des Prozesses und von konstanten Temperaturdifferenzen für die Wärmeübertragung am Verdampfer und Kondensator von 5 K beträgt diese 2,2. Damit reduziert sich der elektrische Verbrauch für die Bereitstellung der benötigten Kälte (147 kWh_th/a) auf 67 kWh_el/a. Das geräteinterne Einsparpotential beträgt demnach 46 kWh_el/a. Allerdings muss die Wärmepumpe 43 kWh_el/a aufwenden, um die benötigte Kälteenergie aufzubringen.

Herausforderungen bei der Anbindung des Gefrierschrankes an den energiBus sind die Kondensationsdruck­absenkung und die Komponentenauslegung, die im Labor genau untersucht werden sollen.

Bewertung des Systems

Für eine erste Bewertung des Systems werden Jahresprofile von Heiz- und Kühllasten sowie Raum- und Außentemperaturen mit Hilfe der Software Gebäude-Simulation 3D PLUS der Firma Hottgenroth/ETU generiert. Grundlage der Simulationsberechnung ist das Rechenverfahren in der VDI Richtlinie 6007 [10, 11].

Als Referenzgebäude wird ein freistehendes 4-Personen-Einfamilienhaus im Passivhaus-Standard mit einer Wohnfläche von 166 m² und einer Energiebezugsfläche von 173 m² definiert, welches den Anforderungen der Richtlinie 2010/31/EU genügt, und als Referenzstandort Würzburg gewählt. Für die Gebäudesimulation werden raumspezifische Nutzungsprofile für Heizung, Kühlung, Lüftung, Beleuchtung, Personen und Geräte erstellt. In der Heizperiode wird eine Raumsolltemperatur von 20 °C und in der Kühlperiode eine von maximal 27 °C (DIN 4108-2) angenommen.

Das simulierte Gebäude weist ohne Berücksichtigung der Wärmerückgewinnung in der Lüftungsanlage einen Heizwärmebedarf von 4196 kWh/a und einen Kühlbedarf von 2428 kWh/a auf. Mit Wärmerückgewinnung reduziert sich der Heizwärmebedarf gemäß Passivhaus-Standard auf 2446 kWh/a bzw. 14,1 kWh/(m²a).

Bei der Bilanzierung des Gesamtsystems bzw. der Wärmepumpe müssen zudem der Bedarf der Haushaltsgeräte und des Trinkwarmwassers berücksichtigt werden. Bezüglich Trinkwarmwasser kann mit Hilfe der Software DHWcalc der Universität Kassel ein Warmwasser-Zapfprofil für das betrachtete Gebäude erstellt werden. Das Programm verteilt die Trinkwarmwasser-Zapfungen in Abhängigkeit einer Wahrscheinlichkeitsfunktion statistisch über das Jahr [12]. Damit ergibt sich für den 4-Personen-Haushalt ein Trinkwarmwasserbedarf bei einer Temperatur von 45 °C von 2167 kWh/a. Da die Warmwasserversorgung über die installierte Trinkwarmwasserstation erfolgt, liegt die Speichertemperatur von WS₂ bei 50 °C. Durch Verluste bei der Wärmeübertragung steigert sich der Wärmebedarf für WS₂ auf 2527 kWh/a.

Für die Erstellung der Verbrauchsprofile der Weißen Ware werden die Verbräuche und die Laufzeiten der einzelnen Geräte den Herstellerunterlagen entnommen und Nutzungsprofile der Geräte erstellt. Bei Waschmaschine, Geschirrspüler und Wärmepumpentrockner basieren diese Profile auf der vom Hersteller angegebenen Anzahl an Zyklen pro Jahr sowie auf einer Online-Umfrage zum Thema „Nutzungszeiträume von Haushaltsgeräten“ der Firma RWE Effizienz GmbH, bei der analysiert wurde, zu welchen Zeiten die verschiedenen Geräte an Werk- und Wochenendtagen genutzt werden. Für die Nutzungsprofile wird die Anzahl der Zyklen der verschiedenen Geräte entsprechend den Nutzungszeiträumen über die Stunden im Jahr verteilt. Bei Kühlschrank und Gefrierschrank wird angenommen, dass sich der Jahresbedarf gleichmäßig über die Stunden im Jahr verteilt. Genauere Verbrauchsprofile aller Geräte können erst nach der Vermessung auf dem Prüfstand berücksichtigt werden. Damit ergibt sich ein Energiebedarf der Haushaltsgeräte für die Wärmeabnehmer von 871 kWh/a und für die Kälteabnehmer von 707 kWh/a.

Mit Hilfe der so bestimmten Lastprofile für die verschiedenen Verbraucher in stündlicher Auflösung und unter Berücksichtigung der vier Temperaturzonen des Speichersystems kann eine Energiebilanz für ein Jahr aufgestellt werden. Speicherverluste bleiben in dieser ersten Analyse unberücksichtigt. Der elektrische Verbrauch der zentralen Wärmepumpe wird ermittelt, indem stündlich der COP der Wärmepumpe berechnet wird, wobei die verschiedenen Betriebsmodi der Wärmepumpe und die unter­schiedlichen Temperaturdifferenzen zwischen Quelle und Senke berücksichtigt werden. Abbildung 8 veranschaulicht die Energieflüsse im Gebäude.

Aus der Abbildung geht hervor, dass trotz der zusätzlichen Einbindung von Kälte- und Wärmeenergie der Haushaltsgeräte in das Gesamtsystem des energiBus unter den derzeit gewählten Randbedingungen nicht verhindert werden kann, dass ca. 23 % der bereitgestellten Wärmeenergie ungenutzt bleiben und über die Fortluft ausgetragen werden. Darüber hinaus könnten noch weitere 4156 kWh_th/a an Kälteenergie von zusätzlichen Verbrauchern genutzt werden. Da es sich bei der derzeitigen Form der Bilanzierung um eine statische Berechnung in Stundenschritten handelt und zunächst nur einfache Regelalgorithmen verwendet werden, besteht hier noch Verbesserungspotential durch zeitliche Verschiebungen zur noch stärkeren gleichzeitigen Nutzung von Kälte- und Wärmeenergie.

Auch wenn durch die zusätzlichen Laufzeiten der Wärmepumpe für die Versorgung der Haushaltsgeräte der elektrische Verbrauch dieser ansteigt, wird derzeit eine Stromeinsparung im Gesamtsystem von 209 kWh_el/a abgeschätzt. Als Vergleichssystem wird hierbei das gleiche System nur ohne den Anschluss der Haushaltsgeräte an den energiBus betrachtet, bei welchem die Abwärme der Geräte an die Aufstellräume abgegeben wird, mit entsprechenden Auswirkungen auf deren Heiz- bzw. Kühllasten. Die genauen Berechnungen, der hier genannten Werte können [13] entnommen werden.

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird unter dem Begriff „energiBus“ ein multifunktionales Wärmepumpen-Systemkonzept vorge­stellt, bei dem die Haushaltsgeräte funktional und energetisch mit der Heizungs- und Lüftungstechnik des Gebäudes gekoppelt werden. Grundgedanke dabei ist die Nutzung von Synergien bei Komponenten und Wärmeströmen. Der direkte Mehrwert für den Endverbraucher ergibt sich aus der Einsparung elektrischer Energie und dem Zusatznutzen der Gebäudekühlung. Einzelne Komponenten bei den Haushaltsgeräten entfallen oder vereinfachen sich und die Effizienz der Wärmepumpe steigt. Die elektrischen Haushaltsgeräte sind dabei über Wärme- und Kälte-Sammelleitungen und ein System aus Wärme- und Kältespeichern mit einer Wärmepumpe hydraulisch gekoppelt.

Die Anbindung der Waschmaschine und des Geschirrspülers erfolgt über die Trinkwarmwasserstation der Heizzentrale. Der Kühlschrank, der Gefrierschrak und der Wäschetrockner werden direkt über das Speicher-system mit Wärme und Kälte versorgt. Durch die Anbindung der Haushaltsgeräte an den energiBus reduziert sich der elektrische Energieverbrauch für die Bereitstellung der Wärme- und Kälteenergie. Erste Prognosen weisen hier ein geräteseitiges Einsparpotential von 64 % (564 kWh_el/a) des jährlichen Verbrauchs bei den fünf genannten Geräten auf, wobei ausnahmslos Haushaltsgeräte mit höchster Energieeffizienz betrachtet werden. Durch Anbindung weiterer Geräte lässt sich dieses Potential noch weiter steigern.

Diese Einsparung reduziert sich durch den steigenden Energieverbrauch der Wärmepumpe, welche die zusätzlichen Verbraucher nun effizienter mit Kälte und Wärme versorgt. Im Vergleich zum gleichen System ohne Ankopplung der Haushaltsgeräte an einen energiBus liegt die derzeit abgeschätzte Stromeinsparung bei 4 % des Jahresgesamtverbrauchs (209 kWh_el/a). Neben der erzielten Stromeinsparung können auch die Anschaffungskosten der Haushaltgeräte durch den Wegfall verschiedener Komponenten gesenkt werden, so dass sich die Systemintegration der Geräte trotz erhöhtem Installationsaufwand des Systems wirtschaftlich rechnet. Eine genaue Wirtschaftlichkeitsbetrachtung kann allerdings erst dann durchgeführt werden, wenn die veränderten Kosten durch die Hardwareänderungen abgeschätzt werden können.

Im weiteren Projektverlauf werden die in dieser Arbeit vorgestellten Einsparpotentiale und Anbindungs-möglichkeiten der Haushaltsgeräte mit Hilfe von Laborexperimenten und Simulationen näher untersucht. Darüber hinaus erfolgt eine wirtschaftliche Bewertung des neuen Systemkonzepts, sodass eine ganzheitliche Bewertung zur möglichen Markteinführung eines solchen integrierten Technikkonzeptes für den Einsatz in Niedrigstenergiegebäuden erstellt werden kann.