Thermodynamische Modellierung einer Wärmepumpe mit integriertem Latentwärmespeicher und Konzept für die Erprobung

  • Der Klimawandel spielt in Deutschland und weltweit eine immer größere Rolle in Politik und Gesellschaft. Um die festgelegten Klimaziele erreichen zu können, ist die Wärmewende ein wichtiger Bestandteil. Besonders im Bereich der Raumwärme und Warmwasserbereitung liegt noch ein großes unausgeschöpftes Potential. Durch den steigenden Anteil an erneuerbarem Strom werden die Themen Energiespeicherung und Sektorkopplung immer wichtiger. Den Wärmebedarf durch erneuerbaren Strom zu decken wird als zukunftsweisend angesehen. Durch Wärmespeicher kann überschüssiger Strom aus erneuerbaren Quellen besser ausgenutzt werden, dies sorgt für eine Netzstabilisierung. Um dieses sogenannte Power to Heat effizient in eine intelligente, vernetzte Sektorkopplung zu integrieren werden innovative Technologien benötigt. Das Forschungsprojekt „smartCASE“ entwickelt und erprobt ein solches innovatives System, welches durch die Integration eines Latentwärmespeichers in eine Wärmepumpe eine Flexibilität für die Netzstabilisierung ermöglichen soll. Dabei soll kein zusätzlicher Temperaturhub notwendig sein und somit muss keine zusätzliche Energie aufgewendet werden. Das patentierte Funktionsprinzip dieses Kaskaden-Systems wird in dem Forschungsprojekt konzipiert, ausgelegt und sowohl ein Labor-Teststand als auch eine Testanlage werden geplant, aufgebaut, in Betrieb genommen und analysiert. In dem Teil des Projektes, welcher in dieser Arbeit behandelt wird, wird ein Simulationsmodell entwickelt, welches einen Langzeitbetrieb des ausgelegten Systems abbildet. Dabei werden unterschiedliche Betriebsfälle des Systems modelliert, welche durch eine Regellogik ausgewählt werden. Das entwickelte Modell dient als vereinfachtes Basismodell, auf dem im weiteren Projektverlauf weiter aufgebaut werden kann. Ziel ist die schnelle Generierung von großen Datensätzen zur Analyse des Systems, um zeitintensive Messreihen an der Laboranlage zu ersetzen. Ergebnisse wie der Anteil an erneuerbarem Strom, der für die Wärmebereitstellung genutzt wurde, oder eine Kostenersparnis sind unter anderen mögliche Ausgaben des Modells. Der zweite Teil der Arbeit fasst die bisherigen Konzeptionierungen, Auslegungen des Systems, sowie den Aufbau und Inbetriebnahme der Wärmepumpe zusammen. Eine erste Analyse der Wärmepumpe und der installierten Messtechnik wird durch eine Messreihe durchgeführt und in dieser Arbeit dokumentiert und ausgewertet. Messreihen am Laborteststand werden im weiteren Projektverlauf für die Validierung der Simulation verwendet.
  • Climate change is playing an increasingly important role in politics and society in Germany and worldwide. To be able to achieve the climate targets that have been set, a thermal transition is an important component. Especially in space heating and domestic hot water production there is still a huge potential. Due to the increasing share of renewable electricity, the topics of energy storage and sector coupling are becoming more and more important. Covering the heat demand with renewable electricity is seen as a future-oriented approach. By means of heat storage, available surplus electricity from renewable sources can be better used, this leads to a stabilization of the grid. Innovative technologies are needed to efficiently integrate this so-called Power to Heat into an intelligent, networked sector coupling. The "smartCASE" research project is developing and testing such an innovative system, which is intended to provide flexibility for grid stabilization by integrating a latent heat storage unit in a heat pump. No additional temperature lift should be necessary and thus no additional energy needs to be used. The patented functional principle of this cascade system is conceived and designed in the research project and both a laboratory test stand and a test plant are planned, set up, commissioned and analysed. In the part of the project, which is discussed in this thesis, a simulation model is developed, which simulates a long-term operation of the designed system. Thereby different operating cases of the system are modelled, which are selected by a control logic. The developed model serves as a simplified basic model, which can be further developed in the further course of the project. The goal is the fast generation of large data sets for the analysis of the system to replace time-consuming series of measurements at the laboratory plant. Results such as the share of renewable electricity used for heat supply or a cost saving are among other possible outputs of the model. The second part of the work summarizes the previous conceptual designs, system layouts, as well as the construction and commissioning of the heat pump. A first analysis of the heat pump and the installed measuring technique is accomplished by a measuring series and documented and evaluated in this work. Measurement series at the laboratory test stand will be used in the further course of the project for the validation of the simulation.

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Metadaten
Author:Ronja Anders
URN:urn:nbn:de:bvb:m347-dtl-0000002067
Publisher:Hochschule München
Place of publication:München
Referee:Christian Schweigler
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2021/12/10
Date of first Publication:2020/10/08
Publishing Institution:Hochschule für angewandte Wissenschaften München
Granting Institution:Hochschule für angewandte Wissenschaften München
Date of final exam:2020/10/08
Release Date:2021/12/10
GND Keyword:HaustechnikGND; LatentwärmespeicherGND; WärmepumpeGND
Page Number:98
Departments and Institutes:Fakultäten der Hochschule München / FK 03 Fakultät für Maschinenbau, Fahrzeugtechnik, Flugzeugtechnik / Masterstudiengang Applied Research in Engineering Services
Fakultäten der Hochschule München / FK 05 Fakultät für Technische Systeme, Prozesse und Kommunikation / Masterstudiengang Gebäudetechnik
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften
Illustrations:Illustration/en
Illustrations:grafische Darstellung/en
Licence (German):Keine CC-Lizenz, es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das Deutsche Urheberrecht
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