Mit Feldmessungen sollen die Effizienz von Wärmepumpenanlagen und deren mögliches Optimierungspotential im Feld unter realen Bedingungen ermittelt werden. In diesem Artikel werden Vorgehensweise und Details der Messung beschrieben.
Ablauf
Vor der Installation der Wärmepumpe im Objekt wird diese auf dem Prüfstand des WPZ in Buchs unter Laborbedingungen ausgemessen. Dabei wird zeitgleich das bereitgestellte Messequipment für die Feldmessung mit der akkreditierten Messtechnik des Labors kalibriert. Auf diese Weise kann auch mit relativ kostengünstigen Sensoren eine hohe Genauigkeit im Feld erzielt werden. Anschliessend erfolgt der Transport der WP zum Kunden und es erfolgt die gesamte Installation durch einen Installateur. Bei der Inbetriebnahme wird die Funktion der Messeinrichtung überprüft, die Datenübertragung zum Server eingerichtet und schliesslich die Datenerfassung gestartet.
Nach einem Jahr Messbetrieb mit Aufzeichnung im 10s-Intervall aller Messgrössen und Speicherung in der Datenbank auf einen Server in der Schweiz erfolgt die Analyse der Messdaten. Dadurch wird ein mögliches Optimierungspotential ermittelt und es erfolgt die Umsetzung von möglichen Massnahmen in Absprach mit den Bewohnern bzw. dem Eigentümer unter Mithilfe des Installateurs bzw. Wärmepumpenservice.
Die Anlage wird danach weiter ausgemessen und der Effekt der Optimierung nach einem Folgejahr bewertet (Abb. 2 zeigt Ablauf in einem Fliessdiagramm).
Messtechnik – Sensoren und Messgrössen
Bei jeder Wärmepumpenanlage ist ein zusätzlicher Schaltschrank (vgl. Abb. 1) verbaut. In diesem sind eine SPS, Messkarten für Analog- und Digitaleingänge, Temperatursensoren sowie Stromwandler für die Messung der Aufnahmeleistungen eingebaut. Durch die Installation von Durchflusszähler und Temperaturfühler in die Anlagenhydraulik (vgl. Abb. 3) können die Abgabeleistungen gemessen und berechnet werden. Ca. 20 verschiedene Messgrössen über Temperatur, Luftfeuchte, Volumenströme und elektrische Leistungen der einzelnen Anlagenkomponenten werden mit über 30 Messsensoren gemessen. Insbesondere sensible Temperaturmesswerte werden redundant zweifach gemessen. Zusätzlich werden über Digitaleingänge die Zustände der Wärmepumpe ermittelt, z.B. Verdichter ein, EW-Sperre, Abtauung, usw.
Kalibrierte 4-Leiter-PT-100-Sensoren messen nach Abbildung 3 durch eine eigens entwickelte Bauweise direkt mit Wasserkontakt die Temperatur in der Rohrhydraulik (inline). Die Messgrössen werden in 100-ms-Abtastraten erfasst und als 10-s-Mittelwerte gespeichert. Mit dem schnellen Ansprechverhalten und der hohen Abtastrate können auch schnelle Änderungen wie z.B. die Zapfung von Trinkwarmwasser oder das Abtauverhalten von Luft/Wasser-Wärmepumpen mit hoher Messgenauigkeit ermittelt werden. Für die Internetanbindung der SPS ist jeweils zusätzlich ein Site-Manager-Modul verbaut. Je nach Objekt wird die Internetverbindung über LAN-Kabel, WLAN oder Mobilfunk aufgebaut.
Auswertung mittels Datenbank
Die Datenbank basiert auf mySQL und befindet sich auf einem Server in der Schweiz. Es werden aus den gespeicherten Messgrössen in einer Datenauflösung von 10 Sekunden verschiedene Kennzahlen berechnet. Neben der thermischen und elektrischen Energie aus den Leistungswerten werden auch verschiedene Minimal-, Mittel-, Maximal- sowie Summenwerte gebildet. Um nur eine kleine Auswahl zu nennen, wäre dies z.B. die mittlere Aussentemperatur bei WP-Betrieb, Tagesmitteltemperatur, mittlere thermische Heizleistung, Betriebsstunden Heizstab, Anzahl Verdichterstarts, usw. Insgesamt werden pro Anlage und Jahr ca. 130 Mio. Messdatenpunkte als Rohdaten gespeichert. Daraus werden momentan 82 Eigenschaften ausgewertet, die in Tages-, Monats-, und Heizsaisonsauflösung dargestellt und analysiert werden. Eine Energiegewichtung der Effizienzkennwerte COP, JAZ und WNG bei den verschiedenen zeitlichen Auflösungen ist dabei zu beachten.
Aus Datenschutzgründen erfolgt die Verlinkung zu den personenbezogenen Daten über eigens generierte Id’s, wodurch die personenbezogenen Daten in den anderen Datenbanken nicht im Klartext ersichtlich sind. Dies erlaubt den bestmöglichen Schutz der Privatsphäre.
Die gemessenen Daten sowie die gesamte Datenbank ist im Besitz des BFE. Auf Anfrage konnten diese umfangreichen, anonymisierten Messungen auch für andere wissenschaftlichen Auswertungen genutzt werden. Zudem werden das Messequipment und die Datenbank auch für die Erfassung weitere Heizungsanlagen eingesetzt.
Analyse von Optimierungspotential und Umsetzung von Massnahmen an der Anlage
Mittels verschiedener Analysetools wie z.B. mit Python oder auch Microsoft Excel können die Anlagen untereinander sowie spezifisch auf bestimmte Betriebsverhalten analysiert werden. Daraus können verschiedene Optimierungsmassnahmen abgeleitet werden, die an-schliessend in Absprache mit den Bewohnern bzw. dem Eigentümer umgesetzt werden. Oft sind dies einfache Einstellungen in der Regelung der Wärmepumpe, der externen Heizstäbe und Hilfsantriebe oder eine Umplatzierung des Fühlers.
Zusammenfassung
Die Durchführung der Feldmessung von Wärmepumpen kann in diese Abschnitte zusammen-gefasst werden:
- Akquise von interessierten Installateuren und Bauherrschaften
- Ausmessen der Wärmepumpe und Kalibrierung der Messtechnik am WPZ
- Installation der Wärmepumpe und Messtechnik im Gebäude, Inbetriebnahme
- 1 Jahr Messbetrieb mit Aufzeichnung im 10s-Intervall aller Messgrössen in der Daten-bank, Berechnung von Kenngrössen
- Analysierung des Optimierungspotentials und Umsetzung von möglichen Massnahmen in Absprach mit dem Eigentümer und ggf. Installateur bzw. Wärmepumpenservice
- Weiterer Messbetrieb und Auswertung der Optimierung
- Fortlaufende Jahresberichte und Teilnehmerinformation
- verschiedene Vorträge und Publikationen mit Erkenntnissen aus der Feldmessung von Wärmepumpen
- Einbringung von Erkenntnissen in die Normgebung, Auslegungshilfen für Planer, usw.