Monolith – Kombisystem von Hybridkollektor und Luftwärmepumpe mit effizienter Anlagentechnik und innovativen Regelstrategien

Im vorgestellten Projekt Monolith wurde eine Kombination eines sowohl luft- als auch wassergeführten solarthermischen Kollektors mit einer Luft-Wärmepumpe behandelt, welche konstruktiv in einer gebäudeexternen Heat Unit untergebracht ist. Um einen energieoptimalen Betrieb des Systems zu gewährleisten, wurde mit Hilfe von simulationsunterstütztem Rapid-Prototyping und Optimierungsverfahren ein bestmögliches ganzheitliches Regelungskonzept gefunden.

Aufgabenstellung:

Die Kombination von Solarthermie und Wärmepumpe für Heizung und Warmwasseraufbereitung im Ein/Mehrfamilienhaus ist vorwiegend aus Kostengründen noch kaum am Markt vertreten. Wenn solche Kombisysteme angeboten werden, dann arbeiten diese meist parallel, d.h. ohne der Ausnutzung von Synergieeffekten nur nebeneinander.

Im Rahmen dieses Projektes wird die Kombination eines Hybridkollektors (sowohl wasser- als auch luftgeführt) mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe vorgestellt, das sich durch eine ganzheitliche Regelungstechnik auszeichnet. Dabei werden die in Vorprojekten bereits entwickelten Komponenten auf den gegebenen Anwendungsfall adaptiert und zu einem Gesamtsystem kombiniert.

Die Reglerentwicklung dieses Kombisystems geschah mit in den meisten industriellen Branchen bereits üblichen Methoden des simulationsbasierten Rapid-Prototyping. Dazu kam im Projekt eine mathematische Modellbildung der Systemkomponenten zum Einsatz, die mit Messungen validiert wurde. Auf Basis des Simulationsmodells konnte ein energieoptimaler Regler gefunden werden. Die Ergebnisse sollten dann bei einer Systemvermessung überprüft werden.

Das Projekt beinhaltete folgende grundlegenden Aufgabenstellungen:

1.         Dimensionierung und Aufbau eines Systemkonzeptes, bestehend aus der Verbindung Hybridkollektor, Luftwärmepumpe und Speicher, untergebracht in einer Heat Unit „Monolith“ (Aufbau der Hardware)

2.         Mathematische Modellbildung und Simulation des Systemkonzeptes, daraus abgeleitet die Entwicklung eines Reglers (Entwicklung der Software)

3.         Vermessung des Gesamtsystems inklusive optimalem Regler und Ableiten von Optimierungspotenzialen (Betrieb des Gesamtsystems)

Als Ergebnis wurde ein vermessenes und optimiertes Funktionsmuster als Ausgangspunkt für eine Kleinserie angestrebt.

Schwerpunkte des Projektes:

Das globale Projektziel war die Entwicklung eines Funktionsmusters des beschriebenen Systems inkl. Regler, das eine Heizperiode lang vermessen wird und als Ausgangspunkt für eine Kleinserie dienen kann.

Endabsicht des Projektes war es, ein Systemkonzept und Regelungsstrategien für den Einsatz eines Hybridkollektors in Verbindung mit einer Luftwärmepumpe (LWP) zu entwickeln. Der Schwerpunkt lag dabei im optimalen Zusammenspiel von Kollektor, LWP und Abnahme, um eine hohe Effizienz der Anlage zu erzielen. Dazu wurden in einem ersten Schritt die einzelnen Komponenten, wie z.B. Kollektor, LWP oder Speicher entwickelt und vermessen. Basierend auf den Messergebnissen wurden in einem weiteren Schritt Komponentenmodelle für Hybridkollektor, LWP, Speicherbeladung, Heizung und Warmwasserabnahme entwickelt, mit deren Hilfe detaillierte Systemsimulationen und Regelungskonzepte erstellt werden konnten. Des Weiteren wurden aufgrund der Simulationen Jahresarbeitszahlen und Leistungszahlen der LWP bei unterschiedlichen Betriebspunkten ermittelt und Energieerträge der gesamten Anlage prognostiziert.

Die mit Hilfe der Simulationen gewonnenen Erfahrungswerte sollten in einem nächsten Schritt praktisch umgesetzt werden. Dazu wurde ein Funktionsmuster gebaut, welches über die Dauer einer Heizperiode vermessen werden sollte. Basierend auf den Auswertungen der Messergebnisse sollten Maßnahmen zur technischen und wirtschaftlichen Optimierung ergriffen werden.

Zielgruppe für den MONOLITH sind Einfamilienhäuser. Es ist aber auch durchaus denkbar, mehrere dieser Heat Units miteinander zu verschalten und somit Kunden mit größeren Wärmeabnahmen zu erreichen.

Einordnung in das Programm:

Themengebiet: Solarthermie

Themenpunkte: Komponenten, Systeme

Einerseits wird, ausgehend von bereits bestehenden Einzelkomponenten, ein solares Kombinationssystem für Warmwasserbereitung und Raumheizung entwickelt Dabei wird das solarthermische System (sowohl luft- als auch wassergeführt) mit einem konventionellen Heizsystem (Luft/Wasser-Wärmepumpe) kombiniert. Diese Anlagenkombination wird in einem externen Gehäuse untergebracht (Heat Unit – Monolith), wobei sich die Möglichkeit bietet, diese Heat Unit entweder in das Gebäude zu integrieren oder als Stand-Alone-Lösung nur mit 2 hydraulischen Anschlusskreisen (Warmwasser, Heizung) gebäudeextern aufzustellen. Diese Heat-Unit (Monolith) beinhaltet alle notwendigen Komponenten (Hybridkollektor, Wärmepumpe, Speicher, Speicherprogrammierbare Steuerung SPS, Hydraulik, Pumpen, Ventile, usw. …) und kann ähnlich einem Fernwärmeanschluss vom Benutzer Wärmeleistung beziehen.

Andererseits reicht das simple Zusammenführen unterschiedlicher (auch optimaler) Einzelkomponenten bei weitem nicht aus, um ein optimales Gesamtsystem zu erhalten. Dazu ist es noch notwendig, sowohl die Komponenten richtig auszulegen und zu dimensionieren, als auch den koordinierten Betrieb des Gesamtsystems zu gewährleisten. Der Entwurf einer energieoptimalen Regelungsstrategie wird gefordert, um sicherzustellen, dass nicht nur Teilsysteme bestmöglich funktionieren, sondern das Gesamtsystem energieoptimal die Abläufe koordiniert.