Robert Haberl

Aufgrund der erforderlichen Dekarbonisierung der Wärmeversorgung werden Wärmepumpen für die Warmwassererwärmung immer wichtiger. Die aus hygienischen Gründen relativ hohen Anforderungen an die Temperaturen der Warmwasserbereitung und -verteilung sind jedoch mit heutigen Wärmepumpen-Konzepten oft nicht ohne zusätzlichen Einsatz von Elektroheizstäben zu erfüllen. Die System-Effizienz der Kombination Wärmepumpe und Speicher bleibt im Feld oft deutlich hinter den technischen Möglichkeiten zurück. In diesem Projekt werden verschiedene Konzepte zur Warmwasserbereitung mit Wärmepumpen in Mehrfamilienhäusern verglichen. Dabei stehen Hygieneanforderungen und Effizienz im Fokus. Ziel ist es, neue Ansätze zu entwickeln und zu untersuchen, um in Mehrfamilienhäusern mit Warmwasserzirkulation eine deutlich höhere Effizienz zu erreichen. Dabei sollen ausschließlich natürliche Kältemittel zum Einsatz kommen. Das Projekt wird vom Bundesamt für Energie (BFE) kofinanziert und involviert das Institut für Energiesysteme (IES) an der OST, die Hochschule Luzern (HSLU) sowie verschiedene Industriepartner.

Gemäss den Mustervorschriften der Kantone im Energiebereich (MuKEn; Stand 2018) darf bei neu gebauten Wohnbauten das Warmwasser nicht mehr zu 100 % direkt elektrisch erwärmt werden. Während der Heizperiode muss das Trinkwasser mit dem Wärmeerzeuger für die Raumheizung erwärmt oder vorgewärmt, andernfalls zu mindestens 50 % mittels erneuerbarer Energie oder Abwärme erwärmt werden. Das heisst, die Restwärmedeckung des Trinkwassers auf die gewünschte Warmwassertemperatur kann direkt elektrisch erfolgen. In diesem Projekt soll im Auftrag der EnFK eine Auslegeordnung zusammengetragen werden, welche Arten der direkt elektrische Erwärmung des Trinkwassers in Wohnbauten (Fokus liegt bei Mehrfamilienhäusern) angeboten werden, und wie diese aus Sicht der Energiewende und Energieeffizienz, insbesondere im Hinblick auf ein eventuell knappes Energieangebot im Winter, zu beurteilen sind.

Die Bedeutung des hydraulischen Abgleichs von Heizverteilsystemen für die Energieeffizienz von Gebäuden und den Komfort der Bewohner ist seit langem bekannt. Dennoch zeigt sich, dass es an Fachwissen mangelt und in der Praxis immer noch häufig unzureichende Umsetzungen gibt. Unternehmen haben diese Lücke erkannt und neue Produkte sowie Lösungen entwickelt. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts untersuchen wir die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit dieser automatischen hydraulischen Abgleichslösungen und ihren Beitrag zum Komfort und zur Energieeffizienz. Wir installieren die Produkte tatsächlich und testen sie mithilfe eines Hardware-in-the-Loop-Verfahrens. Die Auswirkungen auf ein virtuell detailliert modelliertes Gebäude können in Echtzeit verfolgt und bewertet werden. Die Ergebnisse werden der Fachwelt in Form von Factsheets präsentiert, die einen unabhängigen Vergleich ermöglichen.

Die thermische Schichtung ist ein wichtiger Parameter bei der energetischen Bewertung von Speichern. Der elektrische Energieverbrauch in einem Wärmepumpensystem kann mit einem gut schichtenden Speicher um bis zu 40 % tiefer ausfallen als bei einem schlecht schichtenden Speicher.

Im Projekt StorEx hat das SPF die Schichtungseffizienz als Kennzahl eingeführt und gleichzeitig eine Methode zur deren Messung, die sich in der Schweiz bereits etabliert hat.

Eine Alternative dazu ist die Messung des Speichers nach der Norm EN 12977-3 mit einer nachfolgenden Simulation des Speichers.

Damit die «thermische Schichtung» ein allgemein, bzw. international anerkannter Kennwert für thermische Speicher mit einem klar definierten Messverfahren wird, ist es wichtig, dass diese beiden Verfahren in einer Vergleichsmessung untersucht werden. Dies ist das Ziel in diesem Projekt.

Im Projekt HpCosy werden die Grundlagen für ein dezentrales Sole-Wasser Wärmepumpensystem für Wohneinheiten in Mehrfamilienhäusern entwickelt. Dieses "Comfort System" beinhaltet die Funktionen Heizen, Kühlen und Warmwasser, wobei letztere wahlweise abhängig von der Verfügbarkeit von PV-Strom als Einzelanlage oder im Schwarm (Zusammenschluss zum Eigenverbrauch) geregelt werden kann.

Das Projekt wird im Auftrag des Bundesamtes für Energie und in Zusammenarbeit mit weiteren Partnern aus Industrie und Forschung durchgeführt.

Die thermische Schichtung von Wärmespeichern hat eine grosse Auswirkung auf die Effizienz von Wärmesystemen. Dieser Zusammenhang wurde im Projekt StorEx für Kombispeicher nachgewiesen mit einem eigens dafür entwickelten Testverfahren, das auf dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beruht. Dieses Verfahren hat sich mittlerweile etabliert, konnte aber bisher nicht auf Warmwasserspeicher angewendet werden. Deshalb wurde im Projekt DHWstrat das bestehende Verfahren auf reine Warmwasserspeicher erweitert und auf vier Speicher angewendet. Die Resultate zeigen, dass ein sehr gut schichtendes Speicherkonzept nicht nur einen höheren Komfort und bessere hygienische Voraussetzungen erreicht, sondern in Kombination mit einer Wärmepumpe gegenüber einem anderen Speicher bis zu 40 % elektrische Energie einspart. Diese Resultate unterstreichen die Notwendigkeit einer Bewertung der Schichtungseffizienz von Warmwasserspeichern.

Im Projekt CCT-Bat wird ein Systemtest für Heimspeicherbatterien entwickelt, mit dem innerhalb von drei Tagen alle relevanten Betriebsbedingungen im Hardware in the Loop Prinzip getestet und die Zykluseffizienz, sowie weitere Kennzahlen ermittelt werden. Dabei werden sowohl unterschiedliche Zielfunktionen der Systeme (Eigenverbrauch, Steuerung auf Stromtarife und auf Netznutzen) als auch Ein- und Mehrfamilienhäuser, sowie unterschiedliche Lastprofile berücksichtigt.

Im EU Projekt Hybrid-BioVGE wird ein rein thermisch angetriebenes Heiz- und Kühlsystem entwickelt. Die Kältemaschine nutzt das Prinzip der Dampfstrahl-Vakuumpumpe. Als Antriebsenergie wird Wärme aus Solarkollektoren und aus Biomasse verwendet. Das SPF unterstützt dabei die Entwicklung von Kollektoren welche Wärme auf dem Temperaturniveau von 75 – 90 °C liefern, und testet das Heiz- und Kühlsystem mit dem bewährten Concise Cycle Testverfahren. Dieses Verfahren wird dafür eigens für das Testen von Kühlsystemen erweitert.

Dieses Projekt wird unterstützt durch das Forschungsprogramm H2020 der EU – Projektnummer 818012, Akronym Hybrid-BioVGE

Eine Begrenzung der elektrischen Bezugs- und Einspeiseleistung von Gebäuden auf tiefem Niveau ist für die Stromnetzstabilität attraktiv. Als Folge der Begrenzung würde im Gebäude der Solarstrom-Eigenverbrauch optimiert, die PV-Anlageleistung begrenzt, Bezugsspitzen reduziert und evtl. ein Stromspeicher eingebaut. Auf Grund der unterschiedlichen Interessenslagen der Stakeholder müssen die Vor- und Nachteile der neuen technischen Konzepte einer Leistungsbegrenzung untersucht werden. Die Machbarkeit eines solchen Konzeptes wird über Simulationen untersucht.

Durch die Konkurrenz mit der Photovoltaik um verfügbare Dachflächen und das Investitionskapital ökologisch denkender Hausbesitzer steht die Solarwärme unter Druck, die Kosten zu senken und die Systeme zu vereinfachen. In diesem Projekt soll gemeinsam mit Herstellern die Vereinfachung der Systeme und die Erhöhung der Resistenz gegen Installations- und Planungsfehler bei solaren Kombianlagen vorangetrieben und in einem Benchmark-Test im Labor überprüft werden. Die Test-Kriterien werden in einem Workshop mit den Herstellern festgelegt, und anschliessend auf Systeme verschiedener Hersteller angewendet. Gleichzeitig wird eine Vereinfachung des bewährten CCT Testverfahrens realisiert, und mit dem Test für Kompaktheit und Fehler-Resistenz kombiniert.

SolProof wird vom Bundesamt für Energie (BFE) finanziell unterstützt.