HTWP – Bosch

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Entwicklung von Wärmepumpenlösungen für Mehrfamilienhäuser

Förderkennzeichen: 03ET1377 A/B/C

Laufzeit: 01.01.2016 bis 31.12.2021

Projektpartner: Fraunhofer ISE, Bosch Thermotechnik, Robert Bosch GmbH

 

Ziele

Entwicklung von zwei Wärmepumpenlösungen für Mehrfamilienhäuser:

  • Ein bivalentes System, bestehend aus einer elektrischen Wärmepumpe und einem fossilen Generator, für Raumheizung und Warmwasserbereitung mit optimiertem Betrieb für unterschiedliche Optimierungsziele (Primärenergie, CO2-Emissionen, Investitionskosten, …)
  • Eine elektrische Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf mit reduzierter Füllung auf Basis eines natürlichen Kältemittels

Technologie

Bivalentes System

Die größten Herausforderungen bei der Installation von Wärmepumpen in bestehenden Mehrfamilienhäusern sind die geforderten hohen Vorlauftemperaturen – insbesondere zur Einhaltung der gesundheitlichen Vorschriften für die Warmwasserbereitung – und die begrenzte Verfügbarkeit von geeigneten Wärmequellen in der Umgebung.

Eine vielversprechende Lösung für die Sanierung besteht in der Installation so genannter bivalenter (hybrider) Systeme, bei denen eine elektrische Wärmepumpe und ein fossiler Wärmeerzeuger durch ein übergeordnetes Regelungssystem parallel betrieben werden.

Bei dieser Lösung muss die Wärmepumpe (inkl. Quelle) nicht auf maximale Leistung dimensioniert werden und die Wärmeerzeuger können effizienter betrieben werden (z.B. in Bezug auf die Betriebskosten oder den Primärenergieverbrauch).

Bivalente Temperaturen und Anteile der Wärmeerzeuger Gaskessel und Wärmepumpe an der Deckung der Wärmelast unter Variation der Nutzung (sanierter oder unsanierter Gebäudebestand) sowie der Optimierungsziele (Primärenergieverbrauch, CO2-Emissionen und Verbrauchskosten); Ergebnisse von vereinfachten, statischen Berechnungen.

Wärmepumpe mit natürlichem Kältemittel

Um die in der F-Gas-Verordnung (Verordnung (EU) Nr. 517/2014) vorgesehene Reduktion der Emissionen von fluorierten Treibhausgasen (F-Gase) zu erfüllen, wird in einem zweiten Teil des Projekts parallel eine Wärmepumpe auf Basis natürlicher, brennbarer Kältemittel entwickelt, die für bestehende MFH geeignet ist. Um das Gefährdungspotenzial zu minimieren, wird der Kältekreislauf unter anderem mit neuen Verdampferkonzepten auf eine minimale Füllung ausgelegt. Ein entsprechendes Sicherheitskonzept wird ebenfalls entwickelt. Um den hohen Anforderungen an die Schallemissionen in dicht bebauten Stadtgebieten gerecht zu werden, fließen aktuelle Entwicklungen der Psychoakustik in die gesamte Entwicklung ein.

Prüfstand zur Messung von Kältemittel-Wärmeübertragern (Verdampfer und Verflüssiger) am Fraunhofer ISE

Arbeitsplan

Bivalente (hybride) Wärmepumpen-Heizsysteme im Bereich der Renovierung von Mehrfamilienhäusern

  • Grundlagen und Stand der Technik
  • Simulationsgestützte Bewertung verschiedener Dimensionierungs- und Betriebsstrategien für unterschiedliche Anlagenkonzepte
  • Reglerentwicklung und -implementierung
  • Demonstrationsprojekte

Wärmepumpe mit natürlichem Kältemittel für den Einsatz in Mehrfamilienhäusern

  • Entwicklung von kältemittelreduzierten Verdampfern und Optimierung der Gefrier- und Abtaustrategie
  • Auslegung des Kühlkreislaufs
  • Technische Nachweise
  • Simulationsbasierte Bewertung der Geräteleistung im Anwendungskontext

 

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Development of heat pump solutions for multi-family houses

Funding code: 03ET1377 A/B/C

Funding period: 01.01.2016 until 31.12.2021

Project partner: Fraunhofer ISE, Bosch Thermotechnik, Robert Bosch GmbH

 

Objectives

Development of two heat pump solutions for multi-family houses:

  • A bivalent system, consisting of an electric heat pump and a fossil generator, for space heating and DHW heating with optimized operation for different optimization goals (primary energy, CO2 emissions, investment cost, …)
  • An electric heat pump with a refrigerant circuit with reduced charge based on a natural refrigerant

 

Technology

Bivalent System

The main challenges posed by the installation of heat pumps in existing multi-family houses are the required high flow temperatures – specially to comply with health regulations with regard to domestic hot water –  and the limited availability of adapted heat sources in the surroundings.

A promising solution for the renovation consists in installing so-called bivalent (hybrid) systems in which an electric heat pump and a fossil power heat generator operate in parallel through a superior control system.

With this solution the heat pump (incl. source) must not be dimensioned for maximum performance and the heat generators can run more efficiently (for example with regard to the operating costs or primary energy consumption).

 

Bivalent temperatures and shares of the heat generators gas boiler and heat pump in covering the heat load under variation of use (renovated or non-renovated existing buildings) as well as the optimisation objectives (primary energy consumption, CO2 emissions and consumption costs); results of simplified, static calculations.

Heat pump with natural refrigerant

In order to meet the reduction in emissions of fluorinated greenhouse gases (F-gases) envisaged by the F-Gas Regulation (Regulation (EU) No. 517/2014), a heat pump based on natural, flammable refrigerants that is suitable for existing MFHs is being developed in parallel in a second part of the project. To minimize its hazard potential, the refrigeration circuit is among other things designed for a minimal charge using new evaporator concepts. A corresponding security concept is also being developed. In order to meet the high requirements for sound emissions in densely built-up urban areas, current developments in psychoacoustics are incorporated into the entire development.

Test stand for measuring refrigerant heat exchangers (evaporators and condensers) at Fraunhofer ISE

Work plan

Bivalent (hybrid) heat pump heating systems in the field of multi-family building renovation

  • Basics and state of the art
  • Simulation-based evaluation of different dimensioning and operating strategies for different system concepts
  • Controller development and implementation
  • Demonstration projects

Heat pump with natural refrigerant for use in multi-family buildings

  • Development of refrigerant-reduced evaporators and optimization of the freezing and defrosting strategy
  • Design of the refrigeration circuit
  • Technical evidence
  • Simulation-based assessment of device performance in the application context

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