Forscher in Italien haben ein Wasser-Wärmepumpensystem entwickelt, das zur Erzeugung von Kühlung, Heizung und Warmwasser in Sozialwohnungen aus den 1970er-1990er-Jahren dienen soll. Das neuartige Konzept integriert Photovoltaik-Wärmeenergie mit Wärmespeicherung und verspricht eine saisonale Leistungszahl von 5.
Eine Gruppe von Forschern unter der Leitung der Sapienza-Universität in Rom hat ein neues Wasser-Wärmepumpensystem (WSHP) entwickelt, das photovoltaisch-thermische (PVT) Energie und thermische Energiespeicherung (TES) zur integrierten Erzeugung von Heizung, Kühlung, Warmwasserbereitung und Strom integriert.
Das System wurde im Rahmen des EU-finanzierten Forschungsprojekts RESHeat entwickelt, das erneuerbare und energieeffiziente Lösungen für Heizung und Kühlung sowie die Warmwasserbereitung in Mehrfamilienhäusern finden soll. „Diese Arbeit konzentriert sich auf die italienische Version des RESHeat-Projekts“, sagten die Wissenschaftler und wiesen darauf hin, dass das vorgeschlagene System einen Warmwasserspeicher anstelle eines unterirdischen Wärmespeichers verwendet, wie die Systemversionen, die für europäische Länder in höheren Breitengraden entwickelt wurden.
Das System besteht aus einer Wasser-Wärmepumpe kombiniert mit gekühlten Photovoltaikmodulen, zwei Speichereinheiten – eine auf der Quellen- und die andere auf der Lastseite – und einem Gebläsekonvektor. In der vorgeschlagenen Systemkonfiguration wird die Niedertemperaturwärme der Module während der Heizperiode genutzt, um den Kaltwasserspeicher der Wärmepumpe zu füllen. Während der Kühlperiode wird die überschüssige Wärme der PV-Module, die höhere Temperaturen erreichen, an das System zur Warmwasserbereitung weitergeleitet.
„PVT-Module sorgen für thermische und elektrische Kraft-Wärme-Kopplung, wobei die elektrische Energie zur Stromversorgung der WSHP, aller Reserveheizungen, Nebenaggregate und Wohnräume verwendet wird, während die im Winter erzeugte Niedertemperaturwärme über das TES als Quelle für die WSHP genutzt wird“, erklärte das Forschungsteam. „Außerhalb der Heizperiode, von April bis Oktober, wird die von PVT erzeugte Wärme dagegen zur Warmwasserbereitung genutzt, die im dafür vorgesehenen Speicher gespeichert wird. Schließlich wird das TES im Sommer an einen Gleichstrom angeschlossen, der zur Ableitung der von der HP erzeugten überschüssigen Wärme zur Raumkühlung benötigt wird.“
Mithilfe der TRNSYS-Software und der Methode der multikriteriellen Entscheidungsfindung (MCDM) führten die Wissenschaftler 184 Simulationen durch, um die ideale Größe der Systemkomponenten zu ermitteln. Ziel war es, das System in einem Sozialwohngebäude mit 13 Wohnungen einzusetzen, das um 1980 in Palombara Sabina in der Nähe von Rom (Italien) gebaut wurde.
„Das Referenzmuster ist das Ergebnis einer in den 60er Jahren des 900. Jahrhunderts in Italien begonnenen Stadtplanung, die Maßnahmen in Bezug auf Sozialgebäude vor der Einführung der Vorschriften zur Energieeffizienz von Gebäuden vorsah“, erklärten sie und fügten hinzu, dass das Gebäude, das derzeit über eine zentrale Gasheizung versorgt wird, im Winter eine Heizlast von 61 kW und im Sommer eine von 65 kW hat und einen Warmwasserverbrauch von 55 l/Person für insgesamt 50 Personen.
Bei den Simulationen und der MCDM-Analyse berücksichtigten die Wissenschaftler wichtige Parameter wie Leistungszahl (COP), Solaranteil, Primärenergieverbrauch, Primärenergieeinsparung, System- und Betriebskosten sowie logistisch-räumliche Kriterien. Die Forscher fanden heraus, dass die beste Systemkonfiguration mit 75 PVT-Panels mit insgesamt 25 kW, aufgeteilt auf 15 Stränge, einem an die Quellseite der HP angeschlossenen Puffertankvolumen von 3 m³ und einem Volumen von 1.5 m³ für die Warmwasserspeicherung erreicht werden kann.
„Die ermittelten Temperatursollwerte lagen bei 25 °C für die DC, während bei der HP sowohl die Betriebstemperaturen des Verdampfers als auch des Kondensators je nach den äußeren Bedingungen variieren“, erklärten sie weiter. „Auf der kalten Seite liegen sie zwischen 7 und 20 °C und variieren je nach einfallender Strahlung und der Niedertemperatur-Wärmeproduktion der PVT-Module, während sie auf der heißen Seite je nach Außentemperatur variieren.“
Das System wurde in der Studie „Definition eines PVT-gekoppelten Wasser-Quellen-Wärmepumpensystems durch Optimierung einzelner Komponenten“ beschrieben, die im Energie.
„Ziel dieser Arbeit ist es, das Gebäude in Palombara Sabina als Pilotprojekt für die Modernisierung einer Zentralheizung für gemäßigte Klimazonen zu nutzen und es als idealen Ansatz vorzuschlagen, der im großen Maßstab auf den gesamten in den 1970er-1990er-Jahren gebauten Sozialwohnungsbestand angewendet werden kann, mit dem Ziel einer energetischen Sanierung im städtischen Maßstab“, so das Fazit der Forscher. „Die Ziele sind die Effizienz des Systems mit einem saisonalen COP von mindestens 5 und einer Deckung von mindestens 70 % aus erneuerbaren Quellen mit Schwerpunkt auf der Steuerung der Umgebungstemperatur.“
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